[发明专利]增强ZnO基发光二极管紫光电致发光性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别是一种通过金属表面等离激元来增强ZnO基发光二极管紫光电致发光性能的方法。

背景技术

ZnO是一种重要的宽禁带直接带隙半导体材料，其较大的禁带宽度(～3.37eV)和高的激子束缚能(～60meV)使其成为短波长发光器件的潜在应用材料。鉴于上述优势，ZnO基发光器件在信息、光通信、白光照明、医学以及生物等领域具有广泛的应用前景，因此必将成为半导体器件研究的热点。近年来，关于ZnO基发光二极管(LED)的器件制备和性能提高方面人们开展了大量的研究工作。但由于ZnO本征缺陷，p型掺杂困难使得空穴浓度不高，ZnO的自吸收以及全反射损失等，使得目前ZnO基发光器件的发光效率普遍较低。

就提高GaN/InGaN量子阱LED芯片的光效、寿命及可靠性而言人们开展了大量的研究工作，相继开发出了图形衬底、透明电极、全方位反射镜、出光表面的粗化工艺、倒装结构以及引入光子晶体等一系列关键工艺技术，器件的综合性能也有了显著提高。但是，上述工艺都会使得器件的制备成本大大提高并使器件的良率明显下降。近期，人们发现利用金属表面等离激元，可以显著提高半导体材料或相关器件的发光效率。研究发现通过将Ag纳米颗粒插入p-GaN层的内部，器件的光输出功率会有明显提高，同时器件的“Droop”效应也会有明显的改善。

我们通过在n-ZnO/AlN/p-GaN LEDs器件的ZnO/AlN界面插入由反浸润法制备的Ag纳米颗粒，明显提高了n-ZnO/AlN/p-GaN发光二极管的电致发光效率。实验结果表明器件的性能与Ag纳米颗粒的大小和分散度密切相关，我们制备的Ag纳米颗粒的等离激元共振峰位于410nm左右，由于器件的电致发光和Ag表面等离激元之间的耦合作用，导致器件的内量子效率提高，在注入电流为8mA时器件电致发光强度有近三倍的提高，同时缺陷发光被明显抑制。我们的结果提供了一条解决ZnO及其它半导体材料低发光效率的可行途径，为高效ZnO基发光二极管的发展奠定了基础。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对当前ZnO基p-i-n发光二极管开启电压高，发光效率低，缺陷发光明显的现状，本发明的主要目的在于提供一种利用金属Ag表面等离激元来增强ZnO基发光二极管紫光电致发光性能的方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种增强ZnO基发光二极管紫光电致发光性能的方法，该方法是在ZnO/AlN界面插入一层Ag纳米颗粒，通过Ag局域态表面等离激元与器件的电致发光相互耦合，提高ZnO基发光二极管紫光电致发光性能。

上述方案中，所述在ZnO/AlN界面插入一层Ag纳米颗粒是通过反浸润法实现的。所述通过反浸润法在ZnO/AlN界面插入一层Ag纳米颗粒，包括：首先利用射频磁控溅射装置在p-GaN衬底上高温生长AlN薄膜，接着送入离子束辅助沉积系统中在AlN薄膜上沉积一层Ag薄膜，然后送入射频磁控溅射系统中进行真空热退火，形成Ag纳米颗粒。

上述方案中，所述在AlN薄膜上沉积一层Ag薄膜的步骤中，使用主离子源，采用Ar⁺离子轰击Ag靶，离子束辅助沉积系统屏极电压为500-1500V，离子束流为5-50mA，沉积Ag薄膜时的衬底温度为室温，Ar气体流量为3-10sccm(标况毫升每分钟)，Ag薄膜沉积时间为50-500s，Ag薄膜初始厚度为5-50nm。

上述方案中，所述p-GaN衬底，其空穴浓度为10¹⁷-10¹⁸/cm³，空穴迁移率为10-80cm²/V·s。所述在p-GaN衬底上高温生长AlN薄膜，AlN薄膜的生长温度为400-1000℃，工作气体为体积比为1∶1的Ar和N₂的混合气体，生长室内压强为1.0Pa，生长功率为80W，沉积时间为5-12min，AlN薄膜的厚度为5～50nm。

上述方案中，所述进行真空热退火的步骤中，退火前背景真空为1.0×10^-5Pa，退火温度为100-900℃，退火时间为10-60min。