CN104009141A - 碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管及其制作方法。所述电流扩展层由两种成分构成，一种是顺排碳纳米管，另一种是银纳米线。碳纳米管复合银纳米线电流扩展层发光二极管，包括依次纵向层叠的衬底、n型电流限制层、有源区、p型电流限制层和窗口层；还包括p电极和n电极；其特征在于：窗口层之上铺设碳纳米管银纳米线复合电流扩展层。本发明的发光二极管可以使电流从电极向有源区扩散的更均匀，以提高光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型发光二极管结构，尤其涉及一种碳纳米管银纳米线复合薄膜用于电流扩展的发光二极管结构，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
发光二极管具有寿命长、节能、绿色环保等显著特点，已被广泛应用于大屏幕彩色显示、汽车照明、交通信号、多媒体显示和光通讯等领域，特别是在照明领域具有广阔的发展潜力。对于发光二极管而言，随着高质量材料生长技术和器件结构设计不断提高和进步，电流扩展成为限制发光效率的重要因素。当电流从电极注入到发光二极管中时，由于受到横向电阻和迁移率的限制，大量的载流子注入到电极下方，只有少量的载流子扩展到电极以外。分布在电极以下部分电流激发出的光几乎完全被电极挡住或吸收而不能发射出器件。而扩展到电极以外的少部分载流子在有源区中复合发出光子，由于受到半导体与空气界面折射率差大而引起的全反射的影响，只有一小部分光子能够出射到发光二极管表面，对发光二极管的发光效率有贡献。与此同时，电极以下的电流密度较高，造成发热严重，使得载流子泄漏、非辐射复合进一步增强，从而进一步降低了发光二极管的效率。因此，必须要在电极下面的部位加一层电流扩展层，使电流分布的更均匀，提高发光二极管的光功率。
通常采用两种方法实现发光二极管中的电流扩展，一种是生长透明的p型GaP，由于受到迁移率的限制，通常生长GaP的厚度约50～60微米。材料生长的厚，生长时间长，造成生产成本高，生产效率低。另外一种方法就是淀积导电率更高的铟锡氧化物(ITO)作为电流扩展层。但是，ITO的导电性与透光性是一对矛盾，ITO越厚，方块电阻越小，但是透光性也就越差。通常ITO的厚度为500纳米以下，透光率在70％以上，方阻在10Ω/sq左右。更重要的是，ITO材料中的铟，是贵金属材料，价格高昂，且在地球上存量是有限的，需要寻找其他代替物。同时由于ITO层质地脆、缺乏柔韧性，以及要求昂贵的淀积真空设备，ITO薄膜成为发光二极管绿色可持续发展的障碍之一。因此，人们一直在寻求替代ITO的物质。
目前寻求替代ITO薄膜的方法有采用碳纳米管、银纳米线等材料，这主要由于碳纳米管和银纳米线等纳米材料成本低，制备简单，在透光性和电阻率方面表现出优异的特性。单根碳纳米管的本身电导率很高，约为4×105S·cm‐1，但是当采用多根碳纳米管铺设成膜的时候，由于碳纳米管壁之间接触电阻很大，导致碳纳米管薄膜透光率约为80％左右时，方阻约为103Ω/sq数量级，相对于ITO薄膜透光率约为85％左右时，方阻为10Ω/sq而言，方阻太大，无法显示出碳纳米管作为电流扩展的优势。银纳米线与碳纳米管类似，作为金属，单根银纳米线的电导率很高，但是形成薄膜后，银纳米线的方阻与透光性是一对矛盾，方阻越小，透光率越低，据文献报道，当银纳米线薄膜的透光率为80％时，方阻约为几百Ω/sq左右，这大大制约了其在发光二极管电流扩展层上的应用。为了解决碳纳米管和银纳米线薄膜方阻与透光率矛盾的问题，本发明提出一种碳纳米管银纳米线复合薄膜用于电流扩展的方法，即在多根碳纳米管构成的薄膜表面上在增加一层散落的银纳米线，由于银纳米线与碳纳米管的接触电阻比碳纳米管与碳纳米管之间的接触电阻低，同时由于金属银纳米线的导电性呈现金属性质，在多根碳纳米管构成的薄膜表面上银纳米线就像一座座桥梁，将载流子跨越式的输运到更远更广的范围，从而大大降低多根碳纳米管构成的薄膜的方租，而且可以减小碳纳米管的用量，增加透光性，从而提高发光二极管的效率。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管及其制作方法。
本发明的碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管，包括依次纵向层叠的衬底107、n型电流限制层106、有源区105、p型电流限制层104和窗口层103；还包括p电极101和n电极108；其特征在于：窗口层之上铺设碳纳米管银纳米线复合层102。
衬底107可以是GaAs，也可以是GaN，蓝宝石，InP，Si等。
有源区105可以异质结，也可以是单量子阱、多量子阱、量子点、超晶格结构；
发光二极管出射光可以是红光波段，可以是蓝光、绿光、黄光、近紫外、紫外、近红外、红外等波段。
碳纳米管复合银纳米线透明导电层也可应用于太阳能电池、有机发光二极管、探测器、激光器等光电器件。
所述的碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管的制备方法，其特征在于步骤如下：
1、首先在衬底上通过金属有机化学气相沉积方法依次生长n型电流限制层106、有源区105、p型电流限制层104和窗口层103；
2、在窗口层103上通过手工或者机器拉伸的方式铺设碳纳米管，所得碳纳米管层厚度为80‐100nm，透光率为85％‐90％；
3、银纳米线悬浮于挥发溶剂中，质量浓度为1‐2mg/mL，通过滴涂或者悬涂均匀覆盖在碳纳米管薄膜的表面；在N2保护下或者真空下加热使溶剂挥发，得到碳纳米管银纳米线复合层102作为电流扩展层；
4、制作p电极101；
5、减薄衬底；
6、制作n电极108；
7、在N2保护下热退火处理；
8、划片后封装，得到本发明的发光二极管结构。
本发明克服了仅仅采用碳纳米管薄膜或者银纳米线薄膜的方阻与透光性矛盾的问题，在保证一定透光性的前提下，同时获得低的方阻，在发光二极管应用中能有效提高器件的效率。
附图说明：
图1是碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管结构示意图。
图2‐1是铺设碳纳米管银纳米线复合层102示意图。
图2‐2是制作P电极101示意图。
图2‐3是光刻P电极101图形示意图。
图2‐4是制作N电极108示意图。
图3‐1是碳纳米管银纳米线复合层放大4K倍SEM照片。
图3‐2是碳纳米管银纳米线复合层放大120K倍SEM照片。
具体实施方式
如图1所示，包括依次纵向层叠的衬底107、n型电流限制层106、有源区105、p型电流限制层104、窗口层103、p电极101、n电极108。其特征在于：窗口层103之上铺设碳纳米管复合银纳米线层102。
碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管的制备方法包括以下步骤：
1、首先在衬底上通过金属有机化学气相沉积方法依次生长n型电流限制层106、有源区105、p型电流限制层104和窗口层103；
2、在窗口层103上通过手工或者机器拉伸的方式铺设碳纳米管，所得碳纳米管层厚度为80‐100nm，透光率为85％‐90％。
3、银纳米线悬浮于异丙醇或者其他易挥发溶剂中，质量分数为1‐2mg/mL，通过滴涂或者悬涂均匀覆盖在碳纳米管薄膜的表面。在N2保护下或者真空下加热使溶剂挥发，得到银纳米线复合在碳纳米管电流扩展层；得到碳纳米管复合银纳米线复合薄膜的方阻为50‐80Ω/sq，透光率在80‐85％；
4、用光刻胶做掩膜，在窗口层103上用光刻胶做出电极图形，然后磁控溅射或者蒸镀Ti/Au，最后放入丙酮中，通过剥离工艺，去除电极之外的Ti/Au，得到p电极101；
5、减薄衬底；
6、在衬底一侧通过磁控溅射或者蒸镀AuGeNi/Au，厚度为50nm/300nm，得到n电极108；
7、在N2保护下进行快速热退火处理，以实现低的欧姆接触电阻；
8、划片后封装，得到本发明发光二极管。
具体实施方式一：
1、首先在衬底上通过金属有机化学气相沉积方法，依次生长n型电流限制层106、有源区105、p型电流限制层104和窗口层103；
2、在窗口层103上通过手工或者机器拉伸的方式铺设碳纳米管；
3、银纳米线悬浮于异丙醇中，质量分数为2mg/mL，通过滴涂均匀覆盖在碳纳米管薄膜的表面；所得碳纳米管层厚度为80nm，透光率为85％。
4、然后在N2保护下加热至70℃使溶剂挥发，得到银纳米线复合在碳纳米管电流扩展层。碳纳米管复合银纳米线复合薄膜的方阻为50Ω/sq，透光率在80％；
5、用光刻胶做掩膜，在窗口层103上用光刻胶做出电极图形，然后磁控溅射或者蒸镀Ti/Au，厚度为15nm/300nm，最后放入丙酮中，去除电极之外的Ti/Au，得到p电极101；
6、减薄衬底；
7、在衬底一侧通过磁控溅射或者蒸镀AuGeNi/Au，厚度为50nm/300nm，得到n电极108；
8、在N2保护下进行快速热退火处理，温度为460℃，时间为40s，以实现低的欧姆接触电阻。
9、划片、压焊、封装。
具体实施方式二：
1、首先在衬底上通过金属有机化学气相沉积方法依次生长n型电流限制层106、有源区105、p型电流限制层104和窗口层103；
2、在窗口层103上通过机器拉伸的方式铺设碳纳米管；所得碳纳米管层厚度为80nm，透光率为90％。
3、银纳米线悬浮于异丙醇中，质量分数为2mg/mL，通过悬涂均匀覆盖在碳纳米管薄膜的表面；
4、然后在真空下加热至70℃使溶剂挥发，得到银纳米线复合在碳纳米管电流扩展层。碳纳米管复合银纳米线复合薄膜的方阻为50Ω/sq，透光率在80％；
5、在窗口层103上通过溅射或者蒸镀Ti/Au，厚度为15nm/300nm，用光刻胶保护电极图形，使用I/KI溶液腐蚀Au，使用盐酸和氟化铵混合液腐蚀Ti，最后用丙酮去除电极上的光刻胶，得到p电极101；
6、减薄衬底；
7、在衬底一侧通过磁控溅射或者蒸镀AuGeNi/Au，厚度为50nm/300nm，得到n电极108；
8、在N2保护下进行快速热退火处理，温度为460℃，时间为40s，以实现低的欧姆接触电阻。
9、划片、压焊、封装。
具体实施方式三：
1、首先在衬底上通过金属有机化学气相沉积方法，依次生长n型电流限制层106、有源区105、p型电流限制层104和窗口层103；
2、在窗口层103上通过手工或者机器拉伸的方式铺设碳纳米管；所得碳纳米管层厚度为100nm，透光率为85％。
3、银纳米线悬浮于乙醇中，质量分数为1mg/mL，悬涂覆盖在碳纳米管薄膜的表面后，使用匀胶台转速为3000rpm，使银纳米线均匀覆盖在碳纳米管薄膜的表面；
4、然后在N2保护下加热至70℃使溶剂挥发，得到银纳米线复合在碳纳米管电流扩展层。碳纳米管复合银纳米线复合薄膜的方阻为80Ω/sq，透光率在85％；
5、用光刻胶做掩膜，在窗口层103上用光刻胶做出电极图形，然后磁控溅射或者蒸镀Ti/Au，厚度为15nm/300nm，最后放入丙酮中，去除电极之外的Ti/Au，得到p电极101；
6、减薄衬底；
7、在衬底一侧通过磁控溅射或者蒸镀AuGeNi/Au，厚度为50nm/300nm，得到n电极108；
8、在N2保护下进行快速热退火处理，温度为460℃，时间为40s，以实现低的欧姆接触电阻。
9、划片、压焊、封装。
Claims (6)
1.碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管，包括依次纵向层叠的衬底、n型电流限制层、有源区、p型电流限制层和窗口层；还包括p电极和n电极；其特征在于：窗口层之上铺设碳纳米管银纳米线复合层。
2.如权利要求1所述的碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管，其中衬底是GaAs、GaN、蓝宝石、InP或Si。
3.如权利要求1所述的碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管，其中所述有源区是异质结、单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。
4.如权利要求1中所述的碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管，发光二极管出射光是红光、蓝光、绿光、黄光、近紫外、紫外、近红外或红外波段。
5.如权利要求1所述的碳纳米管银纳米线复合电流扩展层发光二极管，其中碳纳米管银纳米线复合层应用于太阳能电池、有机发光二极管、探测器或激光器。
6.如权利要求1-5任意一项所述的碳纳米管银纳米线复合复合电流扩展层发光二极管的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)首先在衬底上通过金属有机化学气相沉积方法依次生长n型电流限制层、有源区、p型电流限制层和窗口层；
2)在窗口层上通过手工或者机器拉伸的方式铺设碳纳米管，所得碳纳米管层厚度为80‐100nm，透光率为85％‐90％；
3)银纳米线悬浮于挥发溶剂中，质量浓度为1‐2mg/mL，通过滴涂或者悬涂均匀覆盖在碳纳米管薄膜的表面；在N2保护下或者真空下加热使溶剂挥发，得到碳纳米管银纳米线复合层作为电流扩展层；
4)制作p电极；
5)减薄衬底；
6)制作n电极；
7)在N2保护下热退火处理；
8)划片后封装，得到发光二极管。
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