CN103681979B - 发光二极管、发光二极管发光效率和强度的调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管发光效率和强度的调制方法，通过在N型区和/或P型区的材料具有压电性的发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变,形变引起的压电场对发光二极管的发光效率和强度进行调制。相应的，本发明还提供一种发光二极管。本发明通过在PN结发光二极管中引入合适的应力，对发光二极管能带进行调制，增加二极管中用于电光转换的电流，同时在PN结附近引入能带弯曲。弯曲形成的电子和空穴势阱可以将载流子吸引并束缚到PN结附近，局域的电子和空穴浓度的增加和束缚会使电子和空穴复合效率增加，从而增加发光二极管的内量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种发光二极管和发光二极管发光效率和强度的调制方法。
背景技术
半导体发光二极管在化学、生物、医学和军事领域具有广泛的应用，内部光量子效率和光取出效率是影响发光二极管效率的两项重要因素。发光二极管的内量子效率反应了注入电子转换为光子的效率。光取出效率反应了发光光子从发光二极管发射出去的效率。外量子效率是实际发射出的光子与注入电子的比值，由内量子效率和光取出效率共同决定。发光二极管的发光强度是注入电子数目、外量子效率和单个光子能量的乘积。由于全内反射效应引起光取出效率低，基于简单PN结型的半导体薄膜发光二极管的内量子效率虽然可达到80%，但外量子效率只有3%左右。基于纳米线或纳米棒与薄膜形成的复合结构的发光二极管可以避免全内反射效应从而显著提高光取出效率。然而已有报道中基于微纳米线的紫外发光二极管的发光效率只有~2%，甚至低于薄膜型的紫外发光二极管。可能由于微纳米线结构中较多的表面和晶体缺陷使基于微纳米线的发光二极管的内量子效率降低所致。
发明内容
本发明的目的是提供一种发光二极管发光效率和强度的调制方法，克服现有技术中发光二极管内量子效率和光取出效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种发光二极管发光效率和强度的调制方法，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性,在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变,所述形变引起的压电场对发光二极管的发光效率和强度进行调制。
优选地，所述发光二极管由半导体薄膜和半导体薄膜上的压电微纳米线组成，所述压电微纳米线基本垂直于所述半导体薄膜，所述在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变步骤具体为，在所述压电微纳米线的顶端施加应力，使所述微纳米线发生形变。
优选地，所述发光二极管由半导体薄膜和压电微纳米线组成，所述压电微纳米线平行于所述半导体薄膜并且部分固定在所述半导体薄膜上，所述在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变步骤具体为，
在所述压电微纳米线的两端施加弯折力，使发光二极管发生形变；
或者，
在所述压电微纳米线上施加基本垂直与所述半导体薄膜的应力，使发光二极管发生形变。
优选地，所述发光二极管由P型半导体薄膜和N型半导体薄膜层叠形成，所述在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变步骤具体为，在所述发光二极管的两端施加压应力，施加应力的方向与通过发光二极管PN结电流方向基本平行。
优选地，所述发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙半导体微纳米线组成。
相应地，本发明还提供一种发光二极管，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性；在所述发光二极管上施加应力时，发光二极管PN结区的能带结构受到所述应力产生的压电势的调制。
优选地，所述发光二极管的结构为：
基底上的半导体薄膜；
所述半导体薄膜上的压电微纳米线和底电极，所述压电微纳米线基本垂直于所述半导体薄膜；所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极。
优选地，所述发光二极管的结构为：
基底上相隔设置的半导体薄膜和导电体；
所述半导体薄膜和导电体上的压电微纳米线，所述压电微纳米线平行于所述半导体薄膜并且部分固定在所述半导体薄膜上；所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极；所述半导体薄膜上的底电极。
优选地，所述发光二极管的结构为：
塑性基底上的相隔设置两个导电体；
两个所述导电体上的压电微纳米线，所述压电微纳米线横跨在两个所述导电体之间的沟槽上；
所述压电微纳米线上的半导体薄膜，所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极；所述半导体薄膜上的底电极。
优选地，所述半导体薄膜为p-型半导体，所述压电微纳米线为n-型宽禁带直接带隙半导体。
优选地，所述发光二极管的结构为：
基底上的第一半导体薄膜层；
所述第一半导体薄膜层上的第二半导体薄膜层和底电极，其中，所述第一半导体薄膜层和第二半导体薄膜层的掺杂类型相反；
所述第二半导体薄膜层上的顶电极。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明提供的发光二极管发光效率和强度的调制方法，通过在N型区和/或P型区的材料具有压电性的发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变,形变引起的压电场对发光二极管的发光效率和强度进行调制。本发明通过在PN结发光二极管中引入合适的应力，对发光二极管能带进行调制，增加二极管中用于电光转换的电流，同时在PN结附近引入能带弯曲。弯曲形成的电子和空穴势阱可以将载流子吸引并束缚到PN结附近，局域的电子和空穴浓度的增加和束缚会使电子和空穴复合效率增加，从而增加发光二极管的内量子效率。同时，通过使用半导体纳米线可以减少全反射引起的光取出损耗，从而增加光取出效率。本发明在光电子、信息科学、环境和能源、生物医学和材料科学等方面有广泛的应用前景。
另外，采用可弯曲的塑性衬底的发光二极管，可以通过衬底的弯曲变形，调制发光二极管的发光强度和效率。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明发光二极管的发光强度和效率的调制方法流程图；
图2为发光二极管的发光强度和效率的调制方法实施例一的示意图；
图3a和图3b为发光二极管的发光强度和效率的调制方法实施例二的示意图；
图4为发光二极管的发光强度和效率的调制方法实施例三的示意图；
图5为本发明的发光二极管实施例四的结构示意图；
图6为本发明的发光二极管实施例五的结构示意图；
图7为本发明的发光二极管实施例六的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
为克服现有技术中发光二极管内量子效率和光取出效率低的问题，本发明提供一种发光二极管发光效率和强度的调制方法。该方法的技术方案为：在由压电材料形成的发光二极管上施加应力，利用应力引起的压电场对发光二极管的PN结区的能带结构的改变来进行发光强度和效率的调制。本发明的发光二极管发光效率和强度的调制方法，适用于所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性，具体流程参见图1，包括步骤：在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变；所述形变引起的压电场对发光二极管的发光效率和强度进行调制。
实施例一：
本实施例的发光二极管发光效率和强度的调制方法中，所述发光二极管由半导体薄膜和半导体薄膜上的压电微纳米线组成，参见图2，半导体薄膜130和导电玻璃100相隔设置基底120上，导电玻璃100的厚度与半导体薄膜120基本相同，在半导体薄膜130和导电玻璃100形成一沟槽，压电微纳米线160平行于半导体薄膜并横跨在所述沟槽上，即压电微纳米线160的一端固定在半导体薄膜130上，另一端固定在导电玻璃100上，压电微纳米线160与半导体薄膜110形成发光二极管。压电微纳米线160的固定在导电玻璃100上的一端的电极150和半导体薄膜上的电极140与电源180连接，驱动发光二极管发光。在压电微纳米线160上施加基本垂直基底120方向的应力170，使所述微纳米线160发生形变（在图中未示出），所述形变在压电微纳米线160引起的压电场对发光二极管的发光效率和强度进行调制。
半导体薄膜130和导电玻璃100形成一沟槽，所述沟槽的宽度可以为1μm-100μm。
本实施例中，形成PN结的压电微纳米线160可以使用透明胶水或胶布将微纳米线固定在导电玻璃100和半导体薄膜130上。所述的压力170可以通过微纳米移动台产生，也可以是高精度压电平移台。
本实施例的方法可以适用在多种材料形成的PN结上，形成PN结的材料中，所述的半导体压电微纳米线的材料可以为ZnO、CdS、CdSe、GaN、GaSb、ZnSe、ZnS等II-VI族和III-V族材料，直径约为0.1-5μm。半导体薄膜可以为GaN、ZnO、CdS、CdSe和聚合物半导体等半导体材料。采用应力调制，通过应力使压电材料发生形变而产生压电势，改变发光二极管PN结区的能带结构，提高电子空穴复合效率，提高器件发光效率。
本实施例中的发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙半导体微纳米线组成。例如，P型GaN薄膜和N型ZnO微纳米线形成发光二极管。
实施例二：
本实施例的发光二极管发光效率和强度的调制方法中，所述发光二极管由半导体薄膜和压电微纳米线组成，参见图3a，在塑性材料衬底200上制备两个金属或透明导电薄膜230，并使两个金属或透明导电薄膜230之间形成沟槽，将具有压电特性的半导体压电微纳米线210放在衬底上，压电微纳米线210平行于金属或透明导电薄膜230并横跨在所述沟槽上，即压电微纳米线230的两端分别固定在金属或透明导电薄膜230上，在半导体压电微纳米线210上设置聚合物半导体或无机半导体薄膜220和半导体微纳米线210形成PN结，在两个金属或透明导电薄膜230上分别连上阳极电极240和阴极电极250，用透明胶水固定p-n结连接处，形成塑性发光二极管。在阳极电极240和阴极电极250之间连接电源驱动发光二极管发光。
两个金属或透明导电薄膜230之间形成沟槽的宽度可以为1μm-100μm。
参见图3b，在本实施例中的衬底200上施加弯折力，也就是在压电微纳米线210的两端施加弯折力，使发光二极管发生形变。由于压电材料发生形变而产生压电势，改变了发光二极管PN结区的能带结构，因此，提高电子空穴复合效率，提高器件发光效率。
本实施例的方法可以适用在多种材料形成的PN结上，形成PN结的材料中，所述的半导体压电微纳米线的材料可以为ZnO、CdS、CdSe、GaN、GaSb、ZnSe、ZnS等II-VI族和III-V族材料，直径约为0.1-5μm。半导体薄膜可以为GaN、ZnO、CdS、CdSe和聚合物半导体等半导体材料。
本实施例中的发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙半导体微纳米线组成。例如，P型GaN薄膜和N型ZnO微纳米线形成发光二极管。
实施例三：
本实施例的发光二极管发光效率和强度的调制方法中，所述发光二极管由半导体薄膜和半导体薄膜上的压电微纳米线组成，参见图4，半导体薄膜310位于基底300上，压电微纳米线320基本垂直于所述半导体薄膜310，压电微纳米线320与半导体薄膜310形成发光二极管，半导体薄膜310上包括底电极330，压电微纳米线320上包括顶电极340。在发光二极管的底电极330和顶电极340之间连接电源驱动发光二极管发光；在压电微纳米线320的顶端施加沿着微纳米线320的应力F1，使所述微纳米线发生形变（在图中未示出），所述形变在压电微纳米线320引起的压电势对发光二极管的发光效率和强度进行调制。
在本实施例中，在压电微纳米线320上施加压力的方向不限于图4中F1所示的方向，可以有多种选择，例如可以在于压电微纳米线320垂直的方向施加应力F2。
本实施例中的压电微纳米线可以为ZnO、CdS、CdSe、GaN、GaSb、ZnSe、ZnS等II-VI族和III-V族宽禁带直接带隙半导体材料，直径约为0.1-5μm。所述的半导体薄膜的材料可以为GaN、ZnO、CdS、CdSe和聚合物半导体等半导体材料。
特别地，本实施例中的发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙半导体微纳米线组成。例如，P型GaN薄膜和N型ZnO微纳米线形成发光二极管。
相应地，本发明还提供一种发光二极管，包括：基底；基底上的发光二极管，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性；在所述发光二极管上施加应力时，发光二极管PN结区的能带结构受到所述应力产生的压电势的调制。所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料可以为薄膜或者微纳米线等材料。
下面结合附图通过具体实施例详细描述本发明的发光二极管。
实施例四：
本实施例中，提供一种发光二极管，所述二极管的发光强度和效率可以通过施加的应力加以调制。具体的，参见图5，所述二极管包括：基底400上的第一半导体薄膜层410、所述第一半导体薄膜层410上的第二半导体薄膜层420和底电极430、所述第二半导体薄膜层420上的顶电极440，其中，所述第一半导体薄膜层410和第二半导体薄膜层420的掺杂类型相反。
本实施例中的第一半导体薄膜的材料可以为GaN、ZnO、CdS、CdSe和聚合物半导体等半导体材料，第二半导体薄膜可以为ZnO、CdS、CdSe、GaN、GaSb、ZnSe、ZnS等II-VI族和III-V族宽禁带直接带隙半导体材料。本实施例中的衬底400可以为硅、玻璃等衬底。
特别地，本实施例中的发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙半导体薄膜组成。例如，P型GaN薄膜和N型ZnO薄膜形成本实施例的发光二极管。
本实施例的第一半导体薄膜和/或第二半导体薄膜的材料为压电材料，当在第二半导体薄膜上施加应力F4时，应力引起压电材料的形变而产生压电势，所述压电势对PN结区域的能带结构进行调制，因此，应力可以调制本实施例所述发光二极管的发光强度和效率。
实施例五：
本实施例中，所述二极管的发光强度和效率可以通过施加的应力加以调制。具体的，参见图6，所述发光二极管的结构为：基底500上相隔设置的半导体薄膜510和导电体520，半导体薄膜510和导电体520之间形成沟槽；所述半导体薄膜510和导电体520上的压电微纳米线，所述压电微纳米线540平行于所述半导体薄膜并且横跨在所述沟槽上；所述半导体薄膜510与压电微纳米线540的掺杂类型相反；所述压电微纳米线上的顶电极540；所述半导体薄膜上的底电极550。
本实施例中的半导体薄膜510可以为GaN、ZnO、CdS、CdSe和聚合物半导体等半导体材料，压电微纳米线540可以为ZnO、CdS、CdSe、GaN、GaSb、ZnSe、ZnS等II-VI族和III-V族宽禁带直接带隙半导体材料。
特别地，本实施例中的发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙压电微纳米线组成。例如，P型GaN薄膜和N型ZnO微纳米线形成本实施例的发光二极管。
本实施例中的导电体可以为导电玻璃、金属等导电材料，衬底400可以为硅、玻璃等衬底。本实施例的导体薄膜510和/或压电微纳米线540的材料为压电材料，当在压电微纳米线540上施加应力F4时，应力引起压电材料的形变而产生压电势，所述压电势对PN结区域的能带结构进行调制，因此，应力可以调制本实施例所述发光二极管的发光强度和效率。
实施例六：
本实施例中，所述二极管衬底为塑性材料衬底，发光二极管的发光强度和效率可以通过弯折衬底产生的应力加以调制。具体的，参见图7，所述发光二极管的结构为：塑性基底600上的相隔设置两个导电体610和620；两个所述导电体上的压电微纳米线630，所述压电微纳米线630横跨在两个所述导电体610和620之间形成的沟槽上；所述压电微纳米线上的半导体薄膜640，所述半导体薄膜640与压电微纳米线630的掺杂类型相反，形成PN结发光二极管；所述压电微纳米线上的顶电极650；所述半导体薄膜上的底电极660。
本实施例中的半导体薄膜640可以为GaN、ZnO、CdS、CdSe和聚合物半导体等半导体材料，压电微纳米线630可以为ZnO、CdS、CdSe、GaN、GaSb、ZnSe、ZnS等II-VI族和III-V族宽禁带直接带隙半导体微纳米线。
特别地，本实施例中的发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙压电微纳米线组成。例如，P型GaN薄膜和N型ZnO微纳米线形成本实施例的发光二极管。
本实施例中的导电体610和620可以为导电玻璃、金属等导电材料，衬底600可以为有机物，例如塑料等可以弯曲变形的塑性衬底。本实施例的压电微纳米线630的材料为压电材料，当在塑性衬底600上施加弯折力使衬底600发生弯曲时，位于导电体上的压电微纳米线630发生形变而产生压电势，所述压电势对PN结区域的能带结构进行调制，因此，应力可以调制本实施例所述发光二极管的发光强度和效率。
实施例七：
本实施例中，所述发光二极管的发光强度和效率可以通过施加的应力加以调制。具体的，参见图4，所述发光二极管的结构为：基底300上的半导体薄膜310；所述半导体薄膜310上的压电微纳米线320和底电极330，所述压电微纳米线320基本垂直于所述半导体薄膜310；所述半导体薄膜310与压电微纳米线320的掺杂类型相反；所述压电微纳米线320上的顶电极340。
本实施例中的半导体薄膜310可以为GaN、ZnO、CdS、CdSe和聚合物半导体等半导体材料，压电微纳米线320可以为ZnO、CdS、CdSe、GaN、GaSb、ZnSe、ZnS等II-VI族和III-V族宽禁带直接带隙半导体微纳米线。
特别地，本实施例中的发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙压电微纳米线组成。例如，P型GaN薄膜和N型ZnO微纳米线形成本实施例的发光二极管。
本实施例中的衬底300可以为硅片、玻璃等衬底。本实施例的压电微纳米线320的材料为压电材料，在压电微纳米线320的顶端施加沿着微纳米线320的应力F1，使所述微纳米线发生形变（在图中未示出），所述形变在压电微纳米线320引起的压电势对PN结区域的能带结构进行调制，因此，应力可以调制本实施例所述发光二极管的发光强度和效率。所述应力的方向并不限定为沿着纳米线320的轴线方向，也可以为其他方向，例如垂直纳米线320的轴线方向。
需要说明的是，本发明的实施例中所述的上电极和下电极是为了区别发光二极管的两个电极，并不是对两个电极位置的限定，在此，不应该限制本发明的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种发光二极管发光效率和强度的调制方法，其特征在于，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性,在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变,所述形变引起的压电场对发光二极管的发光效率和强度进行调制；其中，所述发光二极管结构为：
基底上的半导体薄膜；
所述半导体薄膜上的压电微纳米线和底电极，所述压电微纳米线基本垂直于所述半导体薄膜；所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极；
所述在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变步骤具体为，在所述压电微纳米线的顶端施加应力，使所述微纳米线发生形变。
2.一种发光二极管发光效率和强度的调制方法，其特征在于，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性,在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变,所述形变引起的压电场对发光二极管的发光效率和强度进行调制；其中，所述发光二极管结构为：
基底上相隔设置的半导体薄膜和导电体；
所述半导体薄膜和导电体上的压电微纳米线，所述压电微纳米线平行于所述半导体薄膜并且部分固定在所述半导体薄膜上；所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极；所述半导体薄膜上的底电极；
所述在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变步骤具体为，
在所述压电微纳米线的两端施加弯折力，使发光二极管发生形变；或者，
在所述压电微纳米线上施加基本垂直于所述半导体薄膜的应力，使发光二极管发生形变。
3.一种发光二极管发光效率和强度的调制方法，其特征在于，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性,在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变,所述形变引起的压电场对发光二极管的发光效率和强度进行调制；其中，所述发光二极管结构为：
塑性基底上的相隔设置两个导电体；
两个所述导电体上的压电微纳米线，所述压电微纳米线横跨在两个所述导电体之间的沟槽上；
所述压电微纳米线上的半导体薄膜，所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极；所述半导体薄膜上的底电极；
所述在所述发光二极管上施加应力使发光二极管发生形变步骤具体为，在塑性基底上施加弯折力使得衬底发生弯曲。
4.根据权利要求1至3任一所述的发光二极管发光效率和强度的调制方法，其特征在于，所述发光二极管由p-型半导体薄膜和n-型宽禁带直接带隙半导体微纳米线组成。
5.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性；在所述发光二极管上施加应力时，发光二极管PN结区的能带结构受到所述应力产生的压电势的调制；其中，所述发光二极管的结构为：
基底上的半导体薄膜；
所述半导体薄膜上的压电微纳米线和底电极，所述压电微纳米线基本垂直于所述半导体薄膜；所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极。
6.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性；在所述发光二极管上施加应力时，发光二极管PN结区的能带结构受到所述应力产生的压电势的调制；其中，所述发光二极管的结构为：
基底上相隔设置的半导体薄膜和导电体；
所述半导体薄膜和导电体上的压电微纳米线，所述压电微纳米线平行于所述半导体薄膜并且部分固定在所述半导体薄膜上；所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极；所述半导体薄膜上的底电极。
7.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管的N型区和/或P型区的材料具有压电性；在所述发光二极管上施加应力时，发光二极管PN结区的能带结构受到所述应力产生的压电势的调制；其中，所述发光二极管的结构为：
塑性基底上的相隔设置两个导电体；
两个所述导电体上的压电微纳米线，所述压电微纳米线横跨在两个所述导电体之间的沟槽上；
所述压电微纳米线上的半导体薄膜，所述半导体薄膜与压电微纳米线的掺杂类型相反；
所述压电微纳米线上的顶电极；所述半导体薄膜上的底电极。
8.根据权利要求5至7任一所述的发光二极管，其特征在于，所述半导体薄膜为p-型半导体，所述压电微纳米线为n-型宽禁带直接带隙半导体。
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