CN110098292A - 基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管及制备方法 - Google Patents

基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管及制备方法，主要解决现有蓝绿量子点发光二极管电荷传输效率低，表面缺陷多的问题。其自下而上包括：衬底层(1)、n型GaN层(2)、InxGa1‑xN单量子点层(3)和p型GaN层(4)，该n型GaN层上设有直径为20‑200nm，高度为3‑30nm，且分布均匀的纳米图形，该InxGa1‑xN单量子点层位于纳米图形上。本发明与传统量子点发光二极管相比，使用氧化硅纳米球阵列为掩模，通过ICP蚀刻技术得到均匀分布的纳米图形，在纳米图形上直接生长量子点，提高了电荷传输效率，降低了表面位错，能得到高效的蓝绿量子点发光二极管，可用于蓝绿光发光设备中。

Description

基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管及制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种量子点发光二极管，可用于蓝绿光发光设备中。
技术背景
由于尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应等独特的量子效应，量子点展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质，在非线性光学、磁介质、催化、医学及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景。特别是半导体量子点因其在单电子器件、存储器以及各种光电器件等方面的应用，使其生长和性质成为当今研究的热点。
在半导体量子点器件中，蓝绿量子点发光二极管作为常见的光电器件，其结构通常包括衬底、电子传导层、量子点发光层和空穴传导层，其中量子点发光层常为通过化学溶液得到的胶状量子点，由于胶状量子点中有机体的存在使得电荷传输效率低，能级不易控制，且表面缺陷多，严重影响了发光二极管的光电性能。
发明内容
本发明的目的在于针对传统蓝绿量子点发光二极管的不足，提出一种基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管及制备方法，以提高量子点发光层的电荷传输效率，减少表面缺陷，获得到高效的蓝绿量子点发光二极管。
为实现上述目的，本发明的基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管，自下而上包括：衬底层、n型GaN层、InxGa1-xN单量子点层和p型GaN层，其特征在于：在n型GaN层上设有直径为20-200nm、高度为3-30nm，且分布均匀的纳米图形，InxGa1-xN单量子点层位于纳米图形上，以提高量子点的电荷传输效率，减少表面位错密度。
作为优选，所述的InxGa1-xN单量子点层，厚度为5-50nm，In含量x的调整范围为0.15-0.5。
作为优选，所述的p型GaN层的厚度为100-400nm，掺杂浓度为5×1017cm-1-5×1018cm-1。
作为优选，所述的纳米图形的n型GaN结构的厚度为2000-4000nm，掺杂浓度调整范围为6×1017cm-1-6×1018cm-1。
作为优选，所述的衬底层采用蓝宝石或硅或碳化硅。
为实现上述目的，本发明基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
1)在MOCVD反应炉中，对衬底进行加热预处理，加热温度为1100-1300℃；
2)在预处理后的衬底上利用MOCVD设备生长2000-4000nm的n型GaN层；
3)在n型GaN层上使用提拉法或者旋转涂布法得到表面带有纳米球阵列的n型GaN层，纳米球的直径为20-200nm，纳米球溶液浓度为5％-15％；
4)在表面带有纳米球阵列的n型GaN层上利用ICP蚀刻技术得到带有纳米图形的n型GaN层，其中蚀刻厚度为3-30nm，刻蚀之后在去胶液和配置的HF酸溶液中将纳米球清洗掉；
5)在带有纳米图形的n型GaN层上利用MOCVD设备生长厚度为5-50nm的InxGa1-xN单量子点层，In的组分x的范围为0.15-0.5；
6)在InxGa1-xN单量子点层上利用MOCVD设备生长厚度为100-400nm的p型GaN 层，之后将反应室温度维持在750-850℃，在N2气氛下，退火5-10min，完成对量子点发光二极管的制作。
本发明与传统胶体量子点发光二极管相比，由于使用氧化硅纳米球为掩模，通过ICP 蚀刻技术得到均匀分布的纳米图形，在纳米图形上直接生长量子点，提高了电荷的传输效率，降低了表面位错，提高了蓝绿量子器件的性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明制作纳米图形的蓝绿量子点发光二极管的流程示意图。
图3是扫描电镜下观察到的纳米球阵列结构图。
图4是扫描电镜下观察到的纳米柱阵列结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的器件结构包括：衬底层1、带有纳米图形的n型GaN层2、InxGa1-xN单量子阱层3、p型GaN层4。其中衬底层1采用蓝宝石或硅或碳化硅；带有纳米图形的n型 GaN层2位于衬底层1之上，其厚度为2000-4000nm，掺杂浓度调整范围为6×1017cm-1-6×1018cm-1；该InxGa1-xN单量子阱层3位于带有纳米图形的n型GaN层2之上，厚度为5-50nm；该p型 GaN层4位于InxGa1-xN单量子阱层3之上，其厚度为100-400nm，掺杂浓度为 5×1017cm-1-5×1018cm-1。
InxGa1-xN单量子阱层3中In含量x的调整范围为0.15-0.5，不同的In组分可以得到不同波长的量子点发光二极管。
参照图2，本发明给出制备基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管的三种实施例。
实施例1，制备一种发光波长为420nm的蓝光量子点发光二极管。
步骤一，对衬底进行预处理。
对蓝宝石衬底进行清洗，将经过清洗之后的衬底置于金属有机化学气相淀积MOCVD 反应室中，将反应室的真空度降低至120Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为150Torr条件下，将衬底加热到温度为1300℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理。
步骤二，生长n型GaN层，如图2(a)。
将预处理后的衬底置于MOCVD设备中，设置其反应室温度为1100℃，同时通入流量为25000sccm的氨气，流量为8sccm的硅源和流量为340sccm的镓源，压力保持为300Torr，在预处理后的衬底上生长厚度为2μm的n型GaN层。
步骤三，制作纳米图形，如图2(b)-(d)
首先，在n型GaN层上使用提拉法涂布直径为20nm的纳米球得到表面带有纳米球阵列的n型GaN层，其中纳米球的浓度为15％，如图2(b)；该表面带有纳米球阵列的n型 GaN层在扫描电镜下观察到的纳米球阵列结构，如图3所示；
然后，在表面带有纳米球阵列的n型GaN层上使用ICP蚀刻技术得到高度为20nm的纳米图形，如图2(c)，再在去胶液和配置的HF酸溶液中将纳米球清洗掉，得到具有纳米图形的n型GaN层，如图2(d)，该具有纳米图形的n型GaN层在扫描电镜下观察到的结构如4所示。
步骤四，生长In0.15Ga0.85N单量子点结构，如图2(e)。
在具有纳米图形的n型GaN层上利用MOCVD设备在反应室生长厚度为5nm的In0.15Ga0.85N单量子点，其中生长过程中氮源的流量保持在30000sccm，温度保持在800℃，压力保持在350Torr，镓源流量保持为340sccm，铟源流量保持为480sccm。
步骤五，生长p型GaN层，如图2(f)。
在In0.15Ga0.85N单量子点上利用MOCVD设备在反应室温度为980℃，压力为150Torr的条件下，同时通入流量为35000sccm的氨气，流量为38sccm的镓源和流量为1800sccm 的镁源，生长厚度为100nm的p型GaN层；之后将反应室温度维持在750℃，在N2气氛下，退火10min，完成对发光波长为420nm的蓝光量子点发光二极管制作。
实施例2，制备发光波长为570nm的绿光量子点发光二极管
步骤1，对衬底进行预处理。
将经过清洗之后的硅衬底，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，并将反应室的真空度降低至110Torr，再向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为120Torr 条件下，将衬底加热到温度为1200℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理。
步骤2，生长n型GaN层，如图2(a)。
在预处理后的衬底上利用MOCVD设备生长厚度为4μm的n型GaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为1000℃，压力为350Torr，氨气流量为30000sccm，镓源流量为340sccm，硅源流量为16sccm。
步骤3，在n型GaN层上制作高度为30nm的纳米图形，如图2(b)-2(d)。
3.1)使用旋转涂布法在n型GaN层上涂布直径为200nm的纳米球，纳米球溶液的浓度为5％，如图2(b)，该表面带有纳米球阵列的n型GaN层在扫描电镜下观察到的纳米球阵列结构，如图3所示；
3.2)使用ICP蚀刻技术蚀刻表面带有纳米球的n型GaN层，蚀刻高度为30nm，如图 2(c)；
3.3)在去胶液和配置的HF酸溶液中将纳米球清洗掉，得到具有纳米柱的n型GaN层, 如图2(d)，该具有纳米图形的n型GaN层在扫描电镜下观察到的结构如4所示。
步骤4，生长In0.5Ga0.5N单量子点结构，如图2(e)。
在具有纳米图形的n型GaN层上，利用MOCVD设备在反应室生长厚度为50nm的In0.5Ga0.5N单量子点，其生长的工艺条件如下：
氮源的流量保持在25000sccm，温度保持在900℃，压力保持在400Torr，镓源流量保持为340sccm，铟源流量保持为1500sccm。
步骤5，生长p型GaN层，如图2(f)。
5.1)在In0.5Ga0.5N单量子点上利用MOCVD设备生长厚度为400nm的p型GaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为1000℃、压力为200Torr的条件；
氨气流量为40000sccm，镓源流量为35sccm，镁源流量为2000sccm；
5.2)将反应室温度维持在850℃，，在N2气氛下，退火10min,完成对发光波长为570nm 的绿光量子点发光二极管制作。
实施例3，制备一种发光波长为505nm的绿光量子点发光二极管。
步骤A，对衬底进行预处理。
碳化硅衬底经过清洗之后，置于金属有机化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度降低至130Torr；向反应室通入氢气，在MOCVD反应室压力达到为140Torr条件下，将衬底加热到温度为1100℃，并保持10min，完成对衬底基片的热处理。
步骤B，生长n型GaN层，如图2(a)。
在预处理后的衬底上利用MOCVD设备在反应室温度为1050℃、压力为330Torr，氨气流量为28000sccm，硅源流量为15sccm和镓源流量为340sccm的工艺条件下生长厚度为 3μm的n型GaN层。
步骤C，制作纳米图形，如图2(b)-(d)。
在n型GaN层上使用旋转涂布法在纳米球溶液的浓度为10％下，涂布直径为100nm的纳米球如图2(b)，该表面带有纳米球阵列的n型GaN层在扫描电镜下观察到的纳米球阵列结构，如图3所示；
再使用ICP蚀刻技术得到高度为10nm的纳米图形，得到带有纳米图形的n型GaN层如图2(c)；
然后用胶液和配置的HF酸溶液将n型GaN层表面的纳米球清洗掉，得到具有纳米图形的n型GaN层如图2(d)，该具有纳米图形的n型GaN层在扫描电镜下观察到的结构如4所示。
步骤D，生长In0.35Ga0.65N单量子点结构，如图2(e)。
在具有纳米图形的n型GaN层上利用MOCVD设备在反应室氮源的流量保持在28000sccm，温度保持在850℃，压力保持在380Torr，镓源流量保持为340sccm，铟源流量保持为1000sccm的条件下，生长厚度为20nm的In0.35Ga0.65N单量子点。
步骤E，生长p型GaN层，如图2(f)。
在In0.35Ga0.65N单量子点上利用MOCVD设备在反应室温度为950℃，压力为250Torr，氨气流量为45000sccm，镓源流量为45sccm，镁源流量为2200sccm的条件下，生长厚度为250nm的p型GaN层；之后将反应室温度维持在800℃，在N2气氛下，退火10min，完成对发光波长为505nm的绿光量子点发光二极管制作。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管，自下而上包括：衬底层(1)、n型GaN层(2)、InxGa1-xN单量子点层(3)和p型GaN层(4)，其特征在于：在n型GaN层(2)上设有直径为20-200nm、高度为3-30nm，且分布均匀的纳米图形，InxGa1-xN(3)单量子点层位于纳米图形上，以提高量子点的电荷传输效率，减少表面位错密度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的InxGa1-xN单量子点层(3)，厚度为5-50nm，In含量x的调整范围为0.15-0.5。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的p型GaN层(4)的厚度为100-400nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：纳米图形的n型GaN结构(2)的厚度为2000-4000nm，掺杂浓度调整范围为6×1017cm-1-6×1018cm-1。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述的衬底层(1)采用蓝宝石或硅或碳化硅。
6.一种基于纳米图形的蓝绿量子点发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在MOCVD反应炉中，对衬底进行加热预处理，加热温度为1100-1300℃；
2)在预处理后的衬底上利用MOCVD设备生长2000-4000nm的n型GaN层；
3)在n型GaN层上使用提拉法或者旋转涂布法得到表面带有纳米球阵列的n型GaN层，纳米球的直径为20-200nm，纳米球溶液浓度为5％-15％；
4)在表面带有纳米球阵列的n型GaN层上利用ICP蚀刻技术得到带有纳米图形的n型GaN层，其中蚀刻厚度为3-30nm，刻蚀之后在去胶液和配置的HF酸溶液中将纳米球清洗掉；
5)在带有纳米图形的n型GaN层上利用MOCVD设备生长厚度为5-50nm的InxGa1-xN单量子点层，In的组分x范围为0.15-0.5；
6)在InxGa1-xN单量子点层上利用MOCVD设备生长厚度为100-400nm的p型GaN层，之后将反应室温度维持在750-850℃，在N2气氛下，退火5-10min，完成对量子点发光二极管的制作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中利用MOCVD设备生长n型GaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为1050-1100℃，
保持反应室压力为300-350Torr，
向反应室中同时通入流量为25000-30000sccm的氨气和流量为8-20sccm的硅源。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4)中利用MOCVD设备生长InxGa1-xN单量子点层，其工艺条件如下：
反应室温度为800-900℃，
保持反应室压力为350-400Torr，
向反应室中同时通入流量为25000-30000sccm的氨气和流量为480-1600sccm的铟源。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中利用MOCVD设备生长p型GaN层，其工艺条件如下：
反应室温度为950-1100℃，
保持反应室压力为150-250Torr，
向反应室同时通入流量为35000-45000sccm的氨气，流量为1800-2200sccm的镁源和流量为35-45sccm的镓源。
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