[发明专利]一种纳米柱紫外LED及其制备方法与应用

说明书

本发明属于半导体的技术领域，公开了一种纳米柱紫外LED及其制备方法与应用。所述制备方法是在紫外LED外延片的表面设置一层纳米二氧化硅颗粒，然后以纳米二氧化硅颗粒为掩膜，在紫外LED外延片上刻蚀出纳米柱结构，从而获得纳米柱紫外LED。所述纳米柱紫外LED由下至上依次包括衬底、预铺Al层、AlN层、AlGaN层、u‑GaN层、n‑GaN层、量子阱纳米柱以及p‑GaN纳米柱。本发明的纳米柱紫外LED，释放LED量子阱的应力，减弱量子限制斯塔克效应，增强LED器件性能。另外，本发明的制备方法简单易行，避免了制作掩模版的复杂步骤和成本，并能够通过采用不同颗粒尺寸的SiO₂来调节纳米柱的尺寸大小。

技术领域

本发明属于半导体的技术领域，具体涉及一种纳米柱紫外发光二极管(LED)及其制备方法与应用。本发明的纳米柱LED用于LED、LD、光电探测器、太阳能电池等领域。

背景技术

随着LED技术的迅速发展，LED的发光波段从绿光到紫外光都已经被广泛应用到商业产品上，近年来，紫外LED(UV-LED)广阔的应用前景不断被人们发掘，吸引了许多人将研究重点向其转移，也成为了全球同行业研究和投资的新热点。紫外LED由于具有体积小、结构简单、高速，波长可调、能量高，以及使用寿命长、节能、绿色环保等特点，在白光固态照明、光学存储、油墨印刷、水与空气净化、生物医学、环境保护等领域应用广泛。并且紫外LED与紫外汞灯相比具有很多优点，很有希望取代现有的汞灯成为下一代的紫外光源，具有巨大的社会和经济价值。

但是相比于蓝绿光波段的LED，UV-LED量子效率和功率都普遍偏低，成为其走向产业化的瓶颈。这主要是由于两个方面的原因，首先紫外LED一般采用AlGaN作为有源区发光层，但制备高质量AlGaN材料具有很大难度，一方面是外延生长过程中材料存在较为严重的晶格不匹配、发生的反应较复杂且难以控制，另一方面是AlGaN材料带隙较宽，存在掺杂和激活效率都比较低等物理问题。另外，在LED中还普遍存在一种效率陡降问题，当LED工作在小电流下时，效率随着电流的增加很快就会变得饱和，进一步增大注入电流，其发光效率会急剧下降，这种LED的效率陡降问题一般被称为量子限制斯塔克现象，这种现象主要是由于量子阱中的压电极化所引起的，而AlGaN量子阱中的压电极化效应更强，它限制了紫外发光二极管的发光功率，制约着紫外LED在多方面的应用。因此，推动紫外LED应用的关键问题就是要提高紫外LED的量子效率和功率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种纳米柱紫外LED及其制备方法。本发明通过SiO₂悬涂技术制备纳米柱紫外LED。本发明的纳米柱紫外LED，释放LED量子阱的应力从而减弱量子限制斯塔克效应，增强LED器件性能。

本发明的另一目的在于提供上述纳米柱紫外LED的应用。所述纳米柱紫外LED应用于LED、LD、光电探测器、太阳能电池等领域。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的纳米柱紫外LED，由下至上依次包括衬底、预铺Al层、AlN层、AlGaN层、u-GaN层、n-GaN层、量子阱纳米柱以及p-GaN纳米柱；所述量子阱纳米柱为InGaN/GaN-1/AlGaN/GaN-2量子阱纳米柱，GaN-1和GaN-2为垒层，InGaN为阱层，量子阱的周期数为5-10个，量子阱的第一层与最后一层均为GaN垒层。GaN-1表示的是GaN层，GaN-2表示的是GaN层。

预铺Al层的厚度为1-5nm，AlN层的厚度为100-300nm，AlGaN层的厚度为300-900nm，u-GaN层的厚度为500-1000nm，n-GaN层的厚度为1000-3000nm；量子阱层纳米柱为InGaN/GaN-1/AlGaN/GaN-2量子阱纳米柱，其中GaN-1和GaN-2的厚度为3-7nm，AlGaN厚度为1-3nm，InGaN厚度为2-5nm，量子阱的周期为5-10个周期，量子阱纳米柱的第一层与最后一层均为GaN垒层；p-GaN纳米柱的厚度为200-400nm。