CN102034845A

CN102034845A - 一种基于石墨烯的纳米尺度点光源阵列

Info

Publication number: CN102034845A
Application number: CN 201010526919
Authority: CN
Inventors: 王卓; 邓斯天; 魏子钧; 赵华波; 魏芹芹; 傅云义; 黄如; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-10-30
Filing date: 2010-10-30
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-10-30
Also published as: CN102034845B

Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯的纳米尺度点光源的阵列，属于纳米尺度的发光装置。该点光源的阵列包括一衬底，在衬底上覆盖有一绝缘介质层、金属互连线埋于该介质层中，介质层上方为金属电极阵列，金属互连线连接金属电极阵列中的每个电极，在金属电极阵列上铺设一层石墨烯薄膜，在金属电极和石墨烯薄膜上施加一偏置电压；或者在金属电极阵列中两相邻电极上铺设一层石墨烯薄膜，在此相邻电极对之间施加一偏置电压。本发明制造工艺可与硅基加工技术兼容、集成度高，能大幅提高光源辐照范围和光强，可以作为显示阵列或者存储单元阵列，应用于高分辨率显示装置或信息存储系统。

Description

一种基于石墨烯的纳米尺度点光源阵列

技术领域

本发明属于纳米尺度的发光装置，具体涉及一种基于石墨烯的纳米尺度点光源的阵列。

背景技术

目前，纳米尺度点光源通常基于有机发光二极管或纳米线(管)结构。有机发光二极管由于有较好的光谱调控性和较低的制造成本，在显示领域得到了非常广泛的应用。但是，基于有机发光二极管的光源结构制造工艺与硅基半导体工艺兼容性较差，因此，在纳米光电器件领域的应用受到了较大的限制。基于纳米线结构的纳米光源随着尺寸、掺杂可控性方面问题的逐渐解决，在纳电子器件领域展现出了一定的应用优势。除此，虽有报道基于碳纳米管的纳米光源(J.A.Misewich，et al.Science，300，783(2003)、Dingshan Yu and LimingDai，Appl Phys Lett 96，143107(2010))，但是由于碳纳米管的制造和集成均难以控制，故该种光源技术很难进入实际应用。

发明内容

本发明实现一种基于石墨烯薄膜材料的纳米尺度点光源阵列。该点光源阵列不仅可以大幅提高石墨烯点光源的辐照范围和光强，而且可以实现各种阵列结构和高密度集成光电电路，可作为显示阵列或者存储单元阵列，可应用于高分辨率显示装置或信息存储系统。

本发明原理是，当石墨烯薄膜与金属电极接触时，在隧穿电流的诱导下，与金属电极接触的石墨烯中的电子会发生跃迁和放射性衰变过程，会伴随着光子的释放。由于石墨烯薄膜材料良好的透光性，光线可穿过石墨烯薄膜，我们可从石墨烯薄膜上方观测到。基于石墨烯发光结构如图1所示，图中1为硅衬底，2为二氧化硅介质层，3为金电极，4为石墨烯薄膜。该发光现象有如下一些特点：(1)发光现象只出现于金属电极3与石墨烯4的接触位置，若在金属电极表面有纳米尺度突起，则该位置更容易发光；(2)光源的辐照范围约在微米量级；(3)发光存在阈值电压，阈值的大小理论上可通过控制石墨烯4与电极3接触之间的间距来调节，阈值电压通常为数伏特。(4)发光强度可通过偏置电压来调控，偏置电压越大，强度越高。(5)该光源可在大气、室温条件下稳定工作。

本发明提供的纳米尺度点光源阵列，是将纳米尺度点光源按一定的阵列结构排列并集成，包括衬底1、绝缘介质层2、金属电极3、石墨烯薄膜4四个部分组成，如图2和图3所示。根据点光源结构阵列中每个单元节点中所包含电极数目的不同，可分为节点单电极阵列结构和节点双电极阵列结构两种不同的结构。无论是哪种结构，器件最下层为衬底，衬底材料可以为半导体(如：硅、锗等)、绝缘材料(如：玻璃或石英等)，也可以为柔软衬底材料(如：橡胶、聚合物或丝绸等)。衬底上方覆盖介质层，介质层为绝缘性材料(如：二氧化硅、高k介质等)，金属互连线埋于介质层中。介质层上方为金属电极阵列，电极材料可以为金属(如：金、铬、铜、铝、钛、银或铂等)，电极与介质层中的金属互连线相连。电极上方为石墨烯薄膜材料。

两种不同的阵列结构具体为：

节点单电极阵列结构：

如图2所示，该结构的主要特点为：一整片石墨烯4覆盖在金属电极阵列3上方，每一个金属电极与其上方接触的石墨烯组成一个点光源节点单元。所有的金属电极相连接后接地，而石墨烯整体作为另一极接直流偏压。一旦将偏置电压调至阈值电压之上，则在所有金属电极处均会发光。光斑的位置取决于加工时金属电极的位置。特别需指出的是，金属电极阵列并非一定要制成如图2中所示的矩形阵列的形状，形状可任意的，例如制成同心圆、线形阵列，甚至拼成字母或者汉字的形状等。

该种结构的主要优点在于，只需要整片的石墨烯，因此石墨烯的加工和转移较为方便，由于所有电极的电位相同，所有发光点可同时发亮、也可同时熄灭，可通过整体控制、而无需调控局域的节点即可实现点光源阵列。

节点双电极阵列结构：

器件结构如图3所示。这种结构的主要特点为：每一个发光单元包含一片石墨烯薄膜4和两个金属电极，不同节点的石墨烯薄膜彼此分开。每个发光单元中的两个金属电极中一个电极接地，另一个电极由外部电路控制，输入零电压或者某一高于阈值的电压。

该种结构的优点在于，该类型的点光源阵列中的每一个单元发光与否可通过外部电路局部控制，所有节点并非同时发光，适合于动态显示、信息存储等应用。

发明具有如下优点：

(1)制造工艺可与硅基加工技术兼容、集成度高；(2)可大幅提高光源辐照范围，光源辐照范围可通过阵列单元排列结构实现调控；(3)阵列内部不同节点的发光与否可以通过外部逻辑电压信号来控制，可以应用于动态显示装置和信息存储系统；(3)阵列内部节点发光强度可通过调节偏置电压来调控，具有较好的光强调控功能；(4)衬底不受材料限制，有利于将光源阵列集成到各种不同的装置、物品、甚至有机体内。本发明的点光源阵列可实现各种阵列结构，应用于高密度集成光电电路、高分辨率显示装置或信息存储系统。

附图说明

图1.基于石墨烯光源结构示意图；

图2.节点单电极阵列结构；

图3.节点双电极阵列结构；

图4.工艺流程示意图，其中(a)为衬底材料；(b)化学气相淀积(CVD)介质层；(c)光刻介质层，光刻图形为介质层内部金属互连线的图形；(d)淀积金属互连线：通过蒸发或溅射方法淀积过量金属，化学机械抛光(CMP)磨平表面；(e)化学气相淀积(CVD)介质层；(f)光刻介质层，光刻图形为金属电极和通孔结构；(g)淀积和抛光金属，形成电极和通孔结构，方法同(d)；(h)刻蚀介质层，使金属电极相对于介质层有一定高度的凸起；(i)将石墨烯转移至电极上方。

具体实施方式

实施例一：

节点单电极结构的点光源阵列的制作工艺流程参见图4。

1.化学气相淀积(CVD)介质层二氧化硅；

2.光刻介质层，光刻图形为介质层内部金属互连线的图形；

3.淀积金属互连线：通过蒸发或溅射方法淀积过量金属，化学机械抛光(CMP)磨平表面；

4.化学气相淀积(CVD)介质层二氧化硅；

5.光刻介质层，光刻图形为金属电极和通孔结构；

6.淀积和抛光金属，形成电极和通孔结构，方法同3；

7.刻蚀介质层，使金属电极相对于介质层有一定高度的凸起；

8.将石墨烯转移至电极上方。

这样，每一个金属电极与其上方接触的石墨烯构成一个点光源节点单元。所有的金属电极相连接后接地，而石墨烯整体作为另一极接直流偏压。一旦通电，并将偏置电压调至阈值电压之上，则在所有金属电极处均会发光。

器件结构参数：金属电极宽度：≤500nm；金属电极高度：≤200nm；

不同金属电极之间间距：≥2μm

实施例二

节点双电极阵列结构的具体实施方式

节点双电极结构的点光源阵列的制作工艺流程与前一实施例的制作工艺流程相似，参见图4，石墨烯转移至金属电极上方后增加石墨烯刻蚀工艺，具体工艺如下：

1.化学气相淀积(CVD)介质层二氧化硅；

2.光刻介质层，光刻图形为介质层内部金属互连线的图形；

4.化学气相淀积(CVD)介质层二氧化硅；

5.光刻介质层，光刻图形为金属电极和通孔结构；

6.淀积和抛光金属，形成电极和通孔结构，方法同3；

8.将石墨烯转移至电极之上方，通过光刻和氧等离子刻蚀技术使石墨烯图形化，且使每块石墨烯矩形薄膜覆盖一对相邻电极对构成一个点光源节点单元。所有的相邻金属电极对中的一个电极相连接后接地，而所有相邻金属电极对中的另一电极分别接不同的逻辑控制电压信号。一旦将偏置电压调至阈值电压之上，则在相应的金属电极和石墨烯接触处均会发光，从而可以实现对阵列中不通发光点的分别控制。

器件结构参数：双电极阵列结构单元内部两电极间距：≤2μm；不同单元间距：≥2μm；金属电极宽度：≤500nm；金属电极高度：≤200nm；

上述两种实施例中所涉及的石墨烯转移技术可通过如下技术：利用Ni，Cu或Cou薄膜，通过CVD技术合成石墨烯，在石墨烯表面覆盖聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，然后将整块衬底浸入FeCl₃或Fe(NO)₃溶液中，将金属Ni，Cu或Co等刻蚀掉，待用去离子水清洗后将石墨烯转移至PDMS或PMMA上；FeCl₃的浓度为1mol/L，Fe(NO)₃的浓度为0.05g/mL。然后将还有石墨烯的PDMS或PMMA薄膜覆盖于节点单电极结构的点光源阵列上方，在丙酮溶液或蒸汽中除去PDMS或PMMA；或将还有石墨烯的PDMS或PMMA薄膜覆盖于双电极结构的点光源阵列上方，在丙酮溶液或蒸汽中除去PDMS或PMMA。

Claims

1.一种纳米尺度点光源阵列，其特征在于，包括一衬底，在衬底上覆盖有一绝缘介质层、金属互连线埋设于该介质层中，介质层上方为金属电极阵列，金属互连线连接金属电极阵列中的每个电极，在金属电极阵列上铺设一层石墨烯薄膜，金属电极阵列中每个电极和石墨烯薄膜构成一点光源单元，在金属电极和石墨烯薄膜上施加一偏置电压。

2.一种纳米尺度点光源阵列，其特征在于，包括一衬底，在衬底上覆盖有一绝缘介质层、金属互连线埋于介质层中，介质层上方为金属电极阵列，金属互连线连接金属电极阵列中的每个电极，在金属电极阵列中两相邻电极上铺设一层石墨烯薄膜构成一点光源单元，每个点光源单元的两个金属电极上施加一偏置电压。

3.如权利要求1或2所述的纳米尺度点光源阵列，其特征在于，衬底材料为半导体，如硅、锗；绝缘材料，如氧化硅、玻璃或石英；或柔软衬底材，如橡胶、聚合物、丝绸。

4.如权利要求1或2所述的纳米尺度点光源阵列，其特征在于，介质层为绝缘性材料，如二氧化硅、高k介质。

5.如权利要求1或2所述的纳米尺度点光源阵列，其特征在于，金属电极为金、铬、铜、铝、钛、银或铂等。

6.如权利要求1或2所述的纳米尺度点光源阵列，其特征在于，石墨烯为单层或多层薄膜，多层石墨烯薄膜的层数＜100。

7.如权利要求1所述的纳米尺度点光源阵列，其特征在于，金属电极宽度≤500nm；金属电极高度≤200nm；相邻电极间距≥2μm。

8.如权利要求2所述的纳米尺度点光源阵列，其特征在于，金属电极宽度≤500nm；金属电极高度≤200nm；单元内部两电极间距≤2μm；不同单元间距≥2μm。