專利名稱：基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米技術(shù)、新材料技術(shù)和生化技術(shù)的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于氮 化物發(fā)光二極管的光催化生化器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
光催化反應(yīng)是指，半導(dǎo)體材料受光照會(huì)產(chǎn)生光生電子_空穴對(duì)，電子和空穴再重 新復(fù)合遷移至半導(dǎo)體材料的表面，可以與外界的有機(jī)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。半導(dǎo)體材料的 禁帶寬度既決定了所能吸收的光波長(zhǎng)，也決定了光生電子和空穴的化學(xué)活性。目前最常見的光催化生化器件是基于TiO2的光催化生化器件，利用其光催化可以 進(jìn)行殺菌和抗癌。但是它通常只對(duì)紫外光有響應(yīng)，這樣的禁帶寬度影響了其應(yīng)用范圍，并且 在實(shí)際應(yīng)用中無法提供合適的用于生物體內(nèi)的光源。從上述現(xiàn)狀看，將光催化反應(yīng)應(yīng)用于 生物體面臨兩個(gè)問題一個(gè)是現(xiàn)有光催化劑的響應(yīng)波長(zhǎng)在紫外波段，而某些情況下紫外光 對(duì)于生物體是有害的；第二是無法提供合適的用于生物體內(nèi)的光源。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于氮化物發(fā)光 二極管的光催化生化器件及其制備方法，通過將氮化物發(fā)光二極管材料和InGaN納米結(jié)構(gòu) 的光催化材料相結(jié)合，由氮化物發(fā)光二極管提供光照，InGaN納米結(jié)構(gòu)的光催化材料作為光 催化劑，形成一個(gè)集成的芯片，用于生物體內(nèi)的殺菌和抗癌等應(yīng)用；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為將氮化 物發(fā)光二極管和光催化納米結(jié)構(gòu)材料集成在一起，實(shí)現(xiàn)了器件的小型化，并且可以最大程 度地利用光照能量，這種設(shè)計(jì)可以使得器件可以作用于生物體的任意部位；通過調(diào)整氮化 物發(fā)光二極管中InGaN有源區(qū)材料的In組分，可以使氮化物發(fā)光二極管的發(fā)光為對(duì)生物體 安全的可見光，同時(shí)調(diào)整表面InGaN納米結(jié)構(gòu)的In組分可以使其對(duì)該發(fā)光二極管發(fā)出可見 光有效吸收，由于InGaN材料中極化效應(yīng)的影響，光生電子和空穴在極化電場(chǎng)作用下的復(fù) 合幾率下降，因此可以發(fā)生高效的光催化反應(yīng)；表面的InGaN納米結(jié)構(gòu)位于氮化物發(fā)光二 極管基底上，不會(huì)擴(kuò)散至生物體內(nèi)，便于回收，并且氮化物材料的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在生 物體內(nèi)不會(huì)分解，這樣就適用于生物體內(nèi)部且對(duì)生物體無害。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件，在藍(lán)寶石襯底1的低溫GaN緩沖 層2上依次向上分布摻Si的η型GaN層3、InxGai_xN/GaN多量子阱層4、ρ型AlGaN層5、ρ 型GaN層6和111#￡11_#表面納米結(jié)構(gòu)層，其中11型6鄉(xiāng)層3、111!^1_力/6鄉(xiāng)多量子阱層4、？ 型AlGaN層5、ρ型GaN層6構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管，InyGa1^yN表面納米結(jié)構(gòu)層構(gòu)成了表 面的InGaN納米結(jié)構(gòu)，該InxGai_xN/GaN多量子阱層4的In組分的范圍為0. 05彡χ彡0. 50， InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)的In組分的范圍為0. 05彡y彡0. 50，且χ < y ；所述的低溫GaN緩 沖層2的厚度為15 35nm，其中Si的含量比例為1/1000-1/10000，所述的摻Si的η型 GaN層3的厚度為2 4 μ m，在該n-GaN層3中Si的濃度為1 X IO18 1 X 1019cnT3，所述的
5InxGal-xN/GaN多量子阱層4由1 10個(gè)阱層厚度為1. 5 3. 5nm的多量子阱InxGai_xN/GaN 組成，所述的P型AlGaN層5的厚度為10 40nm，其中Al的含量為5 30%，所述的ρ型 GaN層6的厚度為100 300nm，所述的InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層為納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)8或納米線 柱結(jié)構(gòu)7,納米點(diǎn)的直徑為10 IOOnm,高度為0. 3 50nm、密度為1 X IO9 1 X IO13Ugcm"2, 納米線柱的直徑為10 lOOnm、高度為100 lOOOOnm、密度為IXlO9 1 X 1013ugcnT2。上述的基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件的制備方法首先在MOCVD反應(yīng) 室中將藍(lán)寶石襯底1加熱到1050 1070°C，在10 15L/min H2下熱處理5 15分鐘，然 后自然降溫至530°C，形成厚度范圍為15 35nm的低溫GaN緩沖層2，接著升溫至1030 1050°C,以10 15L/min的H2流量為載氣，同步摻雜Si來以2. O μ m/小時(shí)的生長(zhǎng)速率外 延構(gòu)成2 4μπι厚的摻雜Si的n-GaN層3，在該n-GaN層3中Si的濃度為IX IO18 IX IO19CnT3 ；然后自然降溫到740°C，載氣切換為10 15L/min流量的N2,同時(shí)用通入TEGa、 TMIn和NH3源的方法生長(zhǎng)1 10個(gè)InxGa^NAiaN量子阱，其中0. 05彡χ彡0. 50，在生 長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為1Χ10—5 3Xl(T5mol/min，TMIn的摩爾流量為1X10—5 3Xl(T5mol/min，NH3m流量為10 20L/min ；之后，把溫度升高至850 950°C，以5 IOL/ min流量的H2作為載氣，同時(shí)用通入TMGa、TMAl和NH3的方法生長(zhǎng)厚度為10 40nm的ρ型 AlGaN層5和100 300nm的ρ型GaN層6，其中Al的含量范圍為5% 30%，在生長(zhǎng)過程中， TEGa 的摩爾流量為 IXliT5 3Xl(T5mol/min，TMAl 的摩爾流量為 1 X 1(Γ5 3X l(T5mol/ min, NH3的流量為10 20L/min ；這樣就構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管；將該氮化物發(fā)光二極 管從MOCVD反應(yīng)室取出，采用熱退火方式激活Mg受主后，在該氮化物發(fā)光二極管的頂部表 面采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積沉積SiO2或SiNx掩膜材料，采用電子束曝光或者納米 壓印的方法在該3102或51隊(duì)掩膜材料上制作出預(yù)設(shè)的納米點(diǎn)或納米線柱圖形，其中納米點(diǎn) 圖形的直徑為10 lOOnm，納米線柱圖形的直徑為10 lOOnm，然后將其帶有掩膜圖形的 該氮化物發(fā)光二極管重新放入MOCVD反應(yīng)室，在溫度為550 750°C，載氣為10 20L/min 流量的N2的條件下，同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3的方法生長(zhǎng)出預(yù)設(shè)的納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)8或納 米線柱結(jié)構(gòu)7圖形，其中納米點(diǎn)的高度為0.3 50nm、密度為1 X IO9 1 X 1013ugcm_2，納米 線柱的高度為100 lOOOOnm、密度為1 X IO9 1 X IO13UgcnT2,且0. 05彡y彡0. 50，另外χ <y，這樣就構(gòu)成了 InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為1X10_5 3 X l(T5mol/min，TMIn 的摩爾流量為 2 X 1(Γ5 5 X l(T5mol/min，NH3 的流量為 10 20L/min。通過將氮化物發(fā)光二極管材料和InGaN納米結(jié)構(gòu)的光催化材料相結(jié)合，由氮化物 發(fā)光二極管提供光照，InGaN納米結(jié)構(gòu)的光催化材料作為光催化劑，形成一個(gè)集成的芯片， 用于生物體內(nèi)的殺菌和抗癌等應(yīng)用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為將氮化物發(fā)光二極管和光催化納米 結(jié)構(gòu)材料集成在一起，實(shí)現(xiàn)了器件的小型化，并且可以最大程度地利用光照能量，這種設(shè)計(jì) 可以使得器件可以作用于生物體的任意部位；通過調(diào)整氮化物發(fā)光二極管中InGaN有源區(qū) 材料的In組分，可以使氮化物發(fā)光二極管的發(fā)光為對(duì)生物體安全的可見光，同時(shí)調(diào)整表面 InGaN納米結(jié)構(gòu)的In組分可以使其對(duì)該發(fā)光二極管發(fā)出可見光有效吸收，由于InGaN材料 中極化效應(yīng)的影響，光生電子和空穴在極化電場(chǎng)作用下的復(fù)合幾率下降，因此可以發(fā)生高 效的光催化反應(yīng)；表面的InGaN納米結(jié)構(gòu)位于氮化物發(fā)光二極管基底上，不會(huì)擴(kuò)散至生物 體內(nèi)，便于回收，并且氮化物材料的物理化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，在生物體內(nèi)不會(huì)分解，這樣就適 用于生物體內(nèi)部且對(duì)生物體無害。


圖1是本發(fā)明的含有納米線柱的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的含有納米點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。實(shí)施例1 如圖1所示，基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件，在藍(lán)寶石襯底1的低溫 GaN緩沖層2上依次向上分布摻Si的η型GaN層3、InxGai_xN/GaN多量子阱層4、p型AlGaN 層5、ρ型GaN層6和InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層，其中η型GaN層3、InxGai_xN/GaN多量子 阱層4、ρ型AlGaN層5、ρ型GaN層6構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管，InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層 構(gòu)成了表面的InGaN納米結(jié)構(gòu)，該InxGai_xN/GaN多量子阱層4的In組分的χ值為0. 15， InyGa1^yN表面納米結(jié)構(gòu)的In組分的y值為0. 30 ；所述的低溫GaN緩沖層2的厚度為15nm， 其中Si的含量為1/1000，所述的摻Si的η型GaN層3的厚度為2 μ m，在該n-GaN層中Si 的濃度為IX 1018cm_3，所述的InxGal-xN/GaN多量子阱層4由5個(gè)阱層厚度為1. 5nm的多 量子阱InxGai_xN/GaN組成，所述的ρ型AlGaN層5的厚度為lOnm，其中Al的含量為5 %，所 述的ρ型GaN層6的厚度為lOOnm，所述的InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層為納米線柱結(jié)構(gòu)7，納 米線柱的直徑為lOnm、高度為lOOnm、密度為1Χ109αιΓ2。本實(shí)施例的基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件的制備方法首先在MOCVD反應(yīng)室中將藍(lán)寶石襯底1加熱到1050°C，在10L/min H2下熱處理 5分鐘，然后自然降溫至530°C，形成厚度范圍為15nm的低溫GaN緩沖層2，接著升溫至 1030°C，以lOL/min的H2流量為載氣，同步摻雜Si來以2. O μ m/小時(shí)的生長(zhǎng)速率外延構(gòu)成 2 μ m厚的摻雜Si的n-GaN層3，在該n-GaN層3中Si的濃度為1 X 1018cm_3 ；然后自然降溫 到740°C，載氣切換為lOL/min流量的N2,同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3源的方法生長(zhǎng)5個(gè) InxGai_xN/GaN量子阱，其中χ的值為0. 15，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為lX10_5mol/ min，TMIn的摩爾流量為lX10-5mol/min，NH3&流量為lOL/min ；之后，把溫度升高至850°C， 以5L/min流量的H2作為載氣，同時(shí)用通入TMGa、TMAl和NH3的方法生長(zhǎng)厚度為IOnm的ρ 型AlGaN層5和IOOnm的ρ型GaN層6，其中Al的含量范圍為5%，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的 摩爾流量為lXl(T5mol/min，TMAl的摩爾流量為1 X l(T5mol/min，NH3的流量為lOL/min ；這 樣就構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管；將該氮化物發(fā)光二極管從MOCVD反應(yīng)室取出，采用熱退火 方式激活Mg受主后，在該氮化物發(fā)光二極管的頂部表面采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉 積沉積SiO2掩膜材料，采用電子束曝光或者納米壓印的方法在該SiO2掩膜材料上制作出預(yù) 設(shè)的納米點(diǎn)或納米線柱圖形，納米線/納米柱圖形的直徑為lOnm，然后將其帶有掩膜圖形 的該氮化物發(fā)光二極管重新放入MOCVD反應(yīng)室，在溫度為550°C，載氣為lOL/min流量的N2 的條件下，同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3的方法生長(zhǎng)出預(yù)設(shè)的納米線柱結(jié)構(gòu)7，納米線柱的 高度為lOOnm，密度為lX109cm_2，且y值為0. 3，這樣就構(gòu)成了 InyGa1J表面納米結(jié)構(gòu)層，在 生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為lXl(T5mol/min，TMIn的摩爾流量為2 X l(T5mol/min，NH3 的流量為lOL/min。
實(shí)施例2:如圖2所示，基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件，在藍(lán)寶石襯底1的低溫 GaN緩沖層2上依次向上分布摻Si的η型GaN層3、InxGai_xN/GaN多量子阱層4、p型AlGaN 層5、ρ型GaN層6和InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層，其中η型GaN層3、InxGai_xN/GaN多量子 阱層4、ρ型AlGaN層5、ρ型GaN層6構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管，InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層 構(gòu)成了表面的InGaN納米結(jié)構(gòu)，該InxGai_xN/GaN多量子阱層4的In組分的χ值為0. 30， InyGa1^yN納米結(jié)構(gòu)的In組分的y值為0. 40 ；所述的低溫GaN緩沖層2的厚度為35nm，其中 Si的含量為1/10000，所述的摻Si的η型GaN層3的厚度為4 μ m，在該n-GaN層3中Si的 濃度為1 X IO1W3,所述的InxGal-xN/GaN多量子阱層4由5個(gè)阱層厚度為3. 5nm的多量 子阱InxGai_xN/GaN組成，所述的ρ型AlGaN層5的厚度為40nm，其中Al的含量為30%，所 述的ρ型GaN層6的厚度為300nm，所述的InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層為納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)8，納米 點(diǎn)的直徑為lOOnm、高度為50nm、密度為1Χ1013αιΓ2。本實(shí)施例的基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件的制備方法首先在MOCVD反應(yīng)室中將藍(lán)寶石襯底1加熱到1070°C，在15L/min H2下熱處理 15分鐘，然后自然降溫至530°C，形成厚度范圍為35nm的低溫GaN緩沖層2，接著升溫至 1050°C，以15L/min的H2流量為載氣，同步摻雜Si來以2. O μ m/小時(shí)的生長(zhǎng)速率外延構(gòu)成 4ym厚的摻雜Si的n-GaN層3，在該n-GaN層中Si的濃度為1 X 1019cm_3 ；然后自然降溫 到740°C，載氣切換為15L/min流量的N2,同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3源的方法生長(zhǎng)5個(gè) InxGai_xN/GaN量子阱，其中χ的值為0. 30，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為3Χ 10_5mOl/ min, TMIn的摩爾流量為3 X 10"5mol/min, NH3的流量為20L/min ；之后，把溫度升高至950°C， 以lOL/min流量的H2作為載氣，同時(shí)用通入TMGa、TMAl和NH3的方法生長(zhǎng)厚度為40nm的 P型AlGaN層5和300nm的ρ型GaN層6，其中Al的含量范圍為30%，在生長(zhǎng)過程中，TEGa 的摩爾流量為3Χ l(T5mol/min，TMAl的摩爾流量為3 X l(T5mol/min，NH3的流量為20L/min ； 這樣就構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管；將該氮化物發(fā)光二極管從MOCVD反應(yīng)室取出，采用熱退 火方式激活Mg受主后，在該氮化物發(fā)光二極管的頂部表面采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相 沉積沉積SiNx掩膜材料，該χ值為0. 30，采用電子束曝光或者納米壓印的方法在該SiNx掩 膜材料上制作出預(yù)設(shè)的納米點(diǎn)圖形，其中納米點(diǎn)圖形的直徑為lOOnm，然后將其帶有掩膜圖 形的該氮化物發(fā)光二極管重新放入MOCVD反應(yīng)室，在溫度為750°C，載氣為20L/min流量的 N2的條件下，同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3的方法生長(zhǎng)出預(yù)設(shè)的納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)8圖形，其中納 米點(diǎn)的高度為50nm、密度為IX IO13CnT2，且y值為0. 40，這樣就構(gòu)成了 InyGai_yN表面納米結(jié) 構(gòu)層，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為3X10_5mOl/min，TMIn的摩爾流量為5X10_5mol/ min, NH3 的流量為 20L/min。本發(fā)明的工作原理為在氮化物發(fā)光二極管上加上前向電壓使其導(dǎo)通工作時(shí)，該 基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件的氮化物發(fā)光二極管發(fā)出可見光，可見光被其 InyGa1^yN表面納米結(jié)構(gòu)層7構(gòu)成的InGaN納米結(jié)構(gòu)吸收，在納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生光生電子和 光生空穴，電子和空穴向納米結(jié)構(gòu)的表面擴(kuò)散，在表面和外界的生物物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn) 生電子的得失過程，即光催化反應(yīng)。通過將氮化物發(fā)光二極管材料和InGaN納米結(jié)構(gòu)的光 催化材料相結(jié)合，由氮化物發(fā)光二極管提供光照，InGaN納米結(jié)構(gòu)的光催化材料作為光催化 劑，形成一個(gè)集成的芯片，用于生物體內(nèi)的殺菌和抗癌等應(yīng)用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為將氮化物發(fā)
8光二極管和光催化納米結(jié)構(gòu)材料集成在一起，實(shí)現(xiàn)了器件的小型化，并且可以最大程度地 利用光照能量，這種設(shè)計(jì)可以使得器件可以作用于生物體的任意部位；通過調(diào)整氮化物發(fā) 光二極管中InGaN有源區(qū)材料的In組分，可以使氮化物發(fā)光二極管的發(fā)光為對(duì)生物體安全 的可見光，同時(shí)調(diào)整表面InGaN納米結(jié)構(gòu)的In組分可以使其對(duì)該發(fā)光二極管發(fā)出可見光有 效吸收，由于InGaN材料中極化效應(yīng)的影響，光生電子和空穴在極化電場(chǎng)作用下的復(fù)合幾 率下降，因此可以發(fā)生高效的光催化反應(yīng)；表面的InGaN納米結(jié)構(gòu)位于氮化物發(fā)光二極管 基底上，不會(huì)擴(kuò)散至生物體內(nèi)，便于回收，并且氮化物材料的物理化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，在生物 體內(nèi)不會(huì)分解，這樣就適用于生物體內(nèi)部且對(duì)生物體無害。
權(quán)利要求
一種基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件，其特征在于在藍(lán)寶石襯底(1)的含Si的低溫GaN緩沖層(2)上依次向上分布摻Si的n型GaN層(3)、InxGa1 xN/GaN多量子阱層(4)、p型AlGaN層(5)、p型GaN層(6)和InyGa1 yN表面納米結(jié)構(gòu)層，其中n型GaN層(3)、InxGa1 xN/GaN多量子阱層(4)、p型AlGaN層(5)、p型GaN層(6)構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管，InyGa1 yN表面納米結(jié)構(gòu)層構(gòu)成了表面的InGaN納米結(jié)構(gòu)，該InxGa1 xN/GaN多量子阱層(4)的In組分的范圍為0.05≤x≤0.50，InyGa1 yN表面納米結(jié)構(gòu)的In組分的范圍為0.05≤y≤0.50，且x＜y；所述的低溫GaN緩沖層(2)的厚度為15～35nm，其中Si的含量比例為1/1000 1/10000，所述的摻Si的n型GaN層(3)的厚度為2～4μm，在該n GaN層3中Si的濃度為1×1018～1×1019cm 3，所述的InxGa1 xN/GaN多量子阱層(4)由1～10個(gè)阱層厚度為1.5～3.5nm的多量子阱InxGa1 xN/GaN組成，所述的p型AlGaN層(5)的厚度為10～40nm，其中Al的含量為5～30％，所述的p型GaN層(6)的厚度為100～300nm，所述的InyGa1 yN表面納米結(jié)構(gòu)層為納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)(8)或納米線柱結(jié)構(gòu)(7)，納米點(diǎn)的直徑為10～100nm、高度為0.3～50nm、密度為1×109～1×1013ugcm 2，納米線柱的直徑為10～100nm、高度為100～10000nm、密度為1×109～1×1013cm 2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件，其特征在于所 述的InxGai_xN/GaN多量子阱層(4)的In組分的χ值為0. 15，IriyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)的 In組分的y值為0.30;所述的低溫GaN緩沖層⑵的厚度為15nm，其中Si的含量為比例 為1/1000，所述的摻Si的η型GaN層(3)的厚度為2 μ m,在該n-GaN層3中Si的濃度為 lX1018cm_3，所述的InxGal-xN/GaN多量子阱層(4)由5個(gè)阱層厚度為1. 5nm的多量子阱 InxGai_xN/GaN組成，所述的ρ型AlGaN層(5)的厚度為lOnm，其中Al的含量為5%，所述的 P型GaN層(6)的厚度為lOOnm，所述的InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層為納米線柱結(jié)構(gòu)(7)，納 米線柱的直徑為lOnm、高度為lOOnm、密度為1Χ109αιΓ2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件，其特征在于所 述的InxGai_xN/GaN多量子阱層4的In組分的χ值為0. 30，InyGa1^yN納米結(jié)構(gòu)的In組分的 y值為0. 40 ；所述的低溫GaN緩沖層2的厚度為35nm，其中Si的含量為比例為1/10000，所 述的摻Si的η型GaN層3的厚度為4 μ m，在該n-GaN層3中Si的濃度為1 X 1019cm_3，所述 的InxGal-xN/GaN多量子阱層4由5個(gè)阱層厚度為3. 5nm的多量子阱InxGai_xN/GaN組成， 所述的P型AlGaN層5的厚度為40nm，其中Al的含量為30%，所述的ρ型GaN層6的厚度 為300nm，所述的InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層為納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)8，納米點(diǎn)的直徑為lOOnm、高度為 50nm、密度為 IX IO13CnT2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件的制備方法，其特 征在于首先在MOCVD反應(yīng)室中將藍(lán)寶石襯底(1)加熱到1050 1070°C，在10 15L/min H2下熱處理5 15分鐘，然后自然降溫至530°C，形成厚度范圍為15 35nm的低溫GaN緩 沖層(2)，接著升溫至1030 1050°C，以10 15L/min的H2流量為載氣，同步摻雜Si來 以2. O μ m/小時(shí)的生長(zhǎng)速率外延構(gòu)成2 4 μ m厚的摻雜Si的n_GaN層(3)，在該n_GaN層 ⑶中Si的濃度為IXlO18 IXlO19Cnr3 ；然后自然降溫到740°C，載氣切換為10 15L/ min流量的N2,同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3源的方法生長(zhǎng)1 10個(gè)InxGai_xN/GaN量子阱， 其中0. 05彡χ彡0. 50，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為1 X 1(Γ5 3 X l(T5mol/min，TMIn 的摩爾流量為IX 10_5 3X 10-5mOl/min，NH3的流量為10 20L/min ；之后，把溫度升高至850 950°C，以5 10L/min流量的H2作為載氣，同時(shí)用通入TMGa、TMAl和NH3的方法生 長(zhǎng)厚度為10 40nm的ρ型AlGaN層(5)和100 300nm的ρ型GaN層(6)，其中Al的含 量范圍為5% 30%，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為1 X 10_5 3X l(T5mol/min，TMAl 的摩爾流量為IX 10_5 3X l(T5m0l/min，NH3的流量為10 20L/min ；這樣就構(gòu)成了氮化 物發(fā)光二極管；將該氮化物發(fā)光二極管從MOCVD反應(yīng)室取出，采用熱退火方式激活Mg受主 后，在該氮化物發(fā)光二極管的頂部表面采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積沉積SiO2或SiNx 掩膜材料，采用電子束曝光或者納米壓印的方法在該SiO2或SiNx掩膜材料上制作出預(yù)設(shè) 的納米點(diǎn)或納米線柱圖形，其中納米點(diǎn)圖形的直徑為10 lOOnm，納米線柱圖形的直徑為 10 lOOnm，然后將其帶有掩膜圖形的該氮化物發(fā)光二極管重新放入MOCVD反應(yīng)室，在溫度 為550 750°C，載氣為10 20L/min流量的N2的條件下，同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3的 方法生長(zhǎng)出預(yù)設(shè)的納米點(diǎn)結(jié)構(gòu)(8)或納米線柱結(jié)構(gòu)(7)圖形，其中納米點(diǎn)的高度為0.3 50nm、密度為1 X IO9 1 X IO13UgcnT2,納米線柱的高度為100 lOOOOnm、密度為1 X IO9 1 X 1013ugcm_2，且0. 05彡y彡0. 50，另外χ < y，這樣就構(gòu)成了 InyGa1J表面納米結(jié)構(gòu)層，在 生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為IX 10_5 3 X l(T5mol/min，TMIn的摩爾流量為2X 10_5 5X l(T5mol/min，NH3 的流量為 10 20L/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件的制備方法，其 特征在于首先在MOCVD反應(yīng)室中將藍(lán)寶石襯底(1)加熱到1050°C，在lOL/min H2下熱處 理5分鐘，然后自然降溫至530°C，形成厚度范圍為15nm的低溫GaN緩沖層(2)，接著升溫 至1030°C，以lOL/min的H2流量為載氣，同步摻雜Si來以2. O μ m/小時(shí)的生長(zhǎng)速率外延 構(gòu)成2 μ m厚的摻雜Si的n-GaN層(3)，在該n-GaN層(3)中Si的濃度為1 X 1018cm_3 ；然 后自然降溫到740°C，載氣切換為lOL/min流量的N2,同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3源的方 法生長(zhǎng)5個(gè)InxGai_xN/GaN量子阱，其中χ的值為0. 15，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為 lXl(T5mol/min，TMIn的摩爾流量為1 X l(T5mol/min，NH3的流量為lOL/min ；之后，把溫度 升高至850°C，以5L/min流量的H2作為載氣，同時(shí)用通入TMGa、TMAl和NH3的方法生長(zhǎng)厚 度為IOnm的ρ型AlGaN層(5)和IOOnm的ρ型GaN層(6)，其中Al的含量范圍為5%，在 生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為lXl(T5mol/min，TMAl的摩爾流量為1 X l(T5mol/min，NH3 的流量為lOL/min ；這樣就構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管；將該氮化物發(fā)光二極管從MOCVD反應(yīng) 室取出，采用熱退火方式激活Mg受主后，在該氮化物發(fā)光二極管的頂部表面采用等離子體 增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積沉積SiO2掩膜材料，采用電子束曝光或者納米壓印的方法在該SiO2掩 膜材料上制作出預(yù)設(shè)的納米點(diǎn)或納米線柱圖形，納米線/納米柱圖形的直徑為lOnm，然后 將其帶有掩膜圖形的該氮化物發(fā)光二極管重新放入MOCVD反應(yīng)室，在溫度為550°C，載氣為 lOL/min流量的N2的條件下，同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3的方法生長(zhǎng)出預(yù)設(shè)的納米線柱結(jié) 構(gòu)(7)，納米線柱的高度為lOOnm，密度為1 X IO9CnT2，且y值為0.3，這樣就構(gòu)成了 InyGai_yN 表面納米結(jié)構(gòu)層，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為lX10_5mOl/min，TMIn的摩爾流量為 2X l(T5mol/min，NH3 的流量為 lOL/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件的制備方法，其特 征在于首先在MOCVD反應(yīng)室中將藍(lán)寶石襯底(1)加熱到1070°C，在15L/min H2下熱處理 15分鐘，然后自然降溫至530°C，形成厚度范圍為35nm的低溫GaN緩沖層(2)，接著升溫 至1050°C，以15L/min的H2流量為載氣，同步摻雜Si來以2. O μ m/小時(shí)的生長(zhǎng)速率外延構(gòu)成4 μ m厚的摻雜Si的n-GaN層(3)，在該n-GaN層(3)中Si的濃度為1 X 1019cm_3 ；然 后自然降溫到740°C，載氣切換為15L/min流量的N2,同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3源的方 法生長(zhǎng)5個(gè)InxGai_xN/GaN量子阱，其中χ的值為0. 30，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為 3Xl(T5mol/min，TMIn的摩爾流量為3X l(T5mol/min，NH3的流量為20L/min ；之后，把溫度 升高至950°C，以lOL/min流量的H2作為載氣，同時(shí)用通入TMGa、TMAl和NH3的方法生長(zhǎng)厚 度為40nm的ρ型AlGaN層(5)和300nm的ρ型GaN層(6)，其中Al的含量范圍為30%，在 生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為3Xl(T5mol/min，TMAl的摩爾流量為3X l(T5mol/min，NH3 的流量為20L/min ；這樣就構(gòu)成了氮化物發(fā)光二極管；將該氮化物發(fā)光二極管從MOCVD反應(yīng) 室取出，采用熱退火方式激活Mg受主后，在該氮化物發(fā)光二極管的頂部表面采用等離子體 增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積沉積SiNx掩膜材料，該χ值為0. 30，采用電子束曝光或者納米壓印的 方法在該SiNx掩膜材料上制作出預(yù)設(shè)的納米點(diǎn)圖形，其中納米點(diǎn)圖形的直徑為lOOnm，然后 將其帶有掩膜圖形的該氮化物發(fā)光二極管重新放入MOCVD反應(yīng)室，在溫度為750°C，載氣為 20L/min流量的N2的條件下，同時(shí)用通入TEGa、TMIn和NH3的方法生長(zhǎng)出預(yù)設(shè)的納米點(diǎn)結(jié) 構(gòu)(8)圖形，其中納米點(diǎn)的高度為50nm、密度為lX1013cm_2，且y值為0.40，這樣就構(gòu)成了 InyGai_yN表面納米結(jié)構(gòu)層，在生長(zhǎng)過程中，TEGa的摩爾流量為3 X 10_5mol/min，TMIn的摩爾 流量為 5X l(T5mol/min，NH3 的流量為 20L/min。
全文摘要
一種基于氮化物發(fā)光二極管的光催化生化器件及其制備方法，通過將氮化物發(fā)光二極管材料和InGaN納米結(jié)構(gòu)的光催化材料相結(jié)合，由氮化物發(fā)光二極管提供光照，InGaN納米結(jié)構(gòu)的光催化材料作為光催化劑，形成一個(gè)集成的芯片，用于生物體內(nèi)的殺菌和抗癌等應(yīng)用；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)了器件的小型化，并且可以最大程度地利用光照能量，可以使氮化物發(fā)光二極管的發(fā)光為對(duì)生物體安全的可見光，可以發(fā)生高效的光催化反應(yīng)，表面的InGaN納米結(jié)構(gòu)位于氮化物發(fā)光二極管基底上，不會(huì)擴(kuò)散至生物體內(nèi)，便于回收，并且氮化物材料的物理化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，在生物體內(nèi)不會(huì)分解，這樣就適用于生物體內(nèi)部且對(duì)生物體無害。
文檔編號(hào)H01L33/22GK101920184SQ20101024908
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者汪萊, 王錫武, 羅毅, 郝智彪 申請(qǐng)人:清華大學(xué)