CN107785466A - 一种基于石墨烯电极的透明led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及属于半导体器件领域，具体涉及一种基于石墨烯电极的透明LED及其制备方法，应用于发光二极管器件结构和制备技术。基于石墨烯电极的透明LED包括第一透明衬底、第一石墨烯电极、n型GaN薄膜、多层量子阱、p型GaN薄膜，第二石墨烯电极、第二透明衬底。在第一透明衬底上设置有第一石墨烯电极，在第一石墨烯电极的表面生长一层n型GaN薄膜，在n型GaN薄膜上生长多层量子阱，在多层量子阱上生长一层p型GaN薄膜，该p型GaN薄膜上设置有第二石墨烯电极，该第二石墨烯电极上设置有第二透明衬底。本发明具有制作工艺简单、器件透明且发光效率高、性能稳定等优点，适合工业化生产，实现了发光二极管不工作时透明化，可以提高发光二极管的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及属于半导体器件领域，具体涉及一种基于石墨烯电极的透明LED及其制备方法，应用于发光二极管器件结构和制备技术。
背景技术
近年来，氮化镓(GaN)发光二极管迅猛发展，它具有高亮度、低能耗、长寿命等优良特点，是发展固态照明技术的关键元器件。然而目前的氮化镓LED由于其衬底和电极材料的限制，很难制备出器件不工作时本体透明化的LED。
石墨烯是一种由碳原子紧密堆积成的单原子层的晶体，自2004年由英国曼彻斯特大学首次成功制备并报道后，以其新奇的结构和性能引起了科学家的广泛关注，其独特的二维平面结构赋予了它优良的力学、热学、电学、光学性质。石墨烯良好的透过率及电导率使得其作为透明电极的潜力非常巨大，石墨烯的吸收谱除在270nm处有一明显的吸收峰外，在其余波段透过率都很好，大波段的高透光率使得石墨烯可满足透明电极对光耦合的需求。并且基于石墨烯特殊的晶体结构，石墨烯片层内亚微米量级的电子传输无散射，载流子迁移率比金属银还要高。石墨烯用作透明电极的应用除了考虑到其高的电导率与透光率外，其与半导体层的相容性较好也是很重要的一点，这与石墨烯中载流子种类有关，在石墨烯片层中载流子电子和空穴的迁移率是相等的，即石墨烯既可以作为n型材料又可以作为p型材料。所以，利用石墨烯作为器件的电极和电流扩散层对LED的透明化起着至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于石墨烯电极的透明LED及其制备方法，以提高LED的性能和应用范围。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于石墨烯电极的透明LED，包括：
一第一透明衬底；
一第一石墨烯电极，其制作在第一透明衬底上；
一n型GaN薄膜，其制作在第一石墨烯电极上；
一多层量子阱，其制作于n型GaN薄膜上；
一p型GaN薄膜，其制作于多层量子阱上；
一第二石墨烯电极，其制作于p型GaN薄膜上；
一第二透明衬底，其制作在第二石墨烯电极上。
所述的基于石墨烯电极的透明LED，第一透明衬底和第二透明衬底为石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、蓝宝石、聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
所述的基于石墨烯电极的透明LED，第一石墨烯电极和第二石墨烯电极中，石墨烯为1～10层。
所述的基于石墨烯电极的透明LED，n型GaN薄膜为硅掺杂的GaN薄膜，多层量子阱为InGaN/GaN，p型GaN薄膜为镁、锌或铍掺杂的GaN薄膜。
所述的基于石墨烯电极的透明LED，InGaN/GaN的层数为2～10层。
所述的基于石墨烯电极的透明LED，InGaN的厚度为3纳米，GaN的厚度为12纳米。
所述的基于石墨烯电极的透明LED的制备方法，包括如下步骤：
1)利用化学气相沉积的方法在基底上生长一层第一石墨烯电极；
2)利用沉积的方法在第一石墨烯电极上生长一层n型GaN薄膜；
3)利用沉积的方法在n型GaN薄膜上生长多层量子阱；
4)在多层量子阱上利用沉积的方法生长一层p型GaN薄膜；
5)用FeCl3溶液将基底腐蚀掉；
7)将第一石墨烯电极/n型GaN薄膜/多层量子阱/p型GaN薄膜转移至第一透明衬底，并使第一石墨烯电极与第一透明衬底紧密接触；
8)利用化学气相沉积的方法在另一基底上生长一层第二石墨烯电极，将第二石墨烯电极从基底剥离掉，并转移至p型GaN表面，使第二石墨烯电极与p型GaN紧密接触；
9)在第二石墨烯电极上覆盖第二透明衬底，并使第二石墨烯电极与第二透明衬底紧密结合。
所述的基于石墨烯电极的透明LED的制备方法，基底为Gu箔片或Ni箔片。
所述的基于石墨烯电极的透明LED的制备方法，步骤2)、3)、4)沉积的方法为金属有机物化学气相沉积MOCVD、氢化物气相沉积HVPE或原子层沉积ALD。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明具有制作工艺简单、器件透明且发光效率高、性能稳定等优点，适合工业化生产，实现了发光二极管不工作时透明化，可以提高发光二极管的应用范围。
2、由于石墨烯非常高的电导率以及紫外可见光透过率，使得本发明的石墨烯电极，即可使器件透明化，又可提高器件的整体性能，。
3、由于本发明的LED其所有部分都为透明材料，使得本发明的LED在不工作时是可见光透明的，这大大拓宽了LED的应用领域。
附图说明
为进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例的详细说明如后，其中：
图1为基于石墨烯电极的透明LED的截面结构示意图；
图2为基于石墨烯电极的透明LED的三维结构示意图。
图中，1、第一透明衬底；2、第一石墨烯电极；3、n型GaN薄膜；4、InGaN/GaN多层量子阱；5、p型GaN薄膜；6、第二石墨烯电极；7、第二透明衬底。
具体实施方式：
如图1-图2所示，本发明基于石墨烯电极的透明LED，包括第一透明衬底1，该第一透明衬底1上设置有第一石墨烯电极2，在第一石墨烯电极2的表面生长一层n型GaN薄膜3，在n型GaN薄膜3上生长InGaN/GaN多层量子阱4，在InGaN/GaN多层量子阱4上生长一层p型GaN薄膜5，该p型GaN薄膜5上设置有第二石墨烯电极6，该第二石墨烯电极6上设置有第二透明衬底7。
其中，第一透明衬底和第二透明衬底为石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、蓝宝石、聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。第一石墨烯电极和第二石墨烯电极中石墨烯为1～10层。n型GaN薄膜为硅(Si)掺杂的GaN薄膜，p型GaN薄膜为镁(Mg)、锌(Zn)或铍(Be)掺杂的GaN薄膜。InGaN/GaN多层量子阱，InGaN/GaN的层数为2～10层，其中InGaN的厚度为3nm，GaN的厚度为12nm。
其制备方法为：采用CVD的方法在基底上生长一层第一石墨烯电极2；再用沉积的方法在第一石墨烯电极2上生长一层n型GaN薄膜；然后在n型GaN薄膜上生长一InGaN/GaN多层量子阱，并在InGaN/GaN多层量子阱上生长一层p型GaN薄膜；将基底腐蚀掉，转移第一石墨烯电极/n型GaN薄膜/InGaN/GaN多层量子阱/p型GaN至第一透明衬底；再转移第二石墨烯电极至p型GaN上；最后在第二石墨烯电极上转移第二透明衬底。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例
如图1-图2所示，本实施例中基于石墨烯电极的透明LED的制备方法，具体步骤如下：
1)将Ni箔片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗5分钟，并用氮气吹干，备用；
2)利用化学气相沉积(CVD)的方法在Ni箔片上生长第一石墨烯电极2，石墨烯的层数为一层；
3)采用氢化物气相沉积(HVPE)的方法先在第一石墨烯电极2上生长一层3微米厚的Si掺杂的n型GaN薄膜3(载流子浓度为5×1018cm-3)，然后在n型GaN薄膜3上生长InGaN/GaN多层量子阱4，量子阱的层数为7层，InGaN的厚度为3nm，GaN的厚度为12nm；最后，在InGaN/GaN多层量子阱4上生长一层200nm厚的Mg掺杂p型GaN薄膜5(载流子浓度为6×1017cm-3)；
4)用FeCl3水溶液(0.6mol/L)将Ni箔片腐蚀掉；
5)把第一石墨烯电极2/n型GaN薄膜3/InGaN/GaN多层量子阱4/p型GaN薄膜5转移到第一透明衬底1(石英玻璃)上，范德华力使第一石墨烯电极与第一透明衬底1紧密结合；
6)采用CVD的方法在另一片Ni箔片上生长一层第二石墨烯电极6，将第二石墨烯电极6从Ni箔片上剥离，并转移至p型GaN薄膜5表面，范德华力使第二石墨烯电极6与p型GaN薄膜5紧密结合。另一方面，第一石墨烯电极2和第二石墨烯电极6充当电极的同时也在GaN表面作为有效的电流扩散层；
7)在第二石墨烯电极6上覆盖第二透明衬底7(石英玻璃)，利用范德华力使第二石墨烯电极6与第二透明衬底7紧密接触。这样，包括衬底、电极、发光材料在内的材料都为透明材料，得到最终透明器件。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于石墨烯电极的透明LED，其特征在于，包括：
一第一透明衬底；
一第一石墨烯电极，其制作在第一透明衬底上；
一n型GaN薄膜，其制作在第一石墨烯电极上；
一多层量子阱，其制作于n型GaN薄膜上；
一p型GaN薄膜，其制作于多层量子阱上；
一第二石墨烯电极，其制作于p型GaN薄膜上；
一第二透明衬底，其制作在第二石墨烯电极上。
2.按照权利要求1所述的基于石墨烯电极的透明LED，其特征在于，第一透明衬底和第二透明衬底为石英玻璃、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、蓝宝石、聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
3.按照权利要求1所述的基于石墨烯电极的透明LED，其特征在于，第一石墨烯电极和第二石墨烯电极中，石墨烯为1～10层。
4.按照权利要求1所述的基于石墨烯电极的透明LED，其特征在于，n型GaN薄膜为硅掺杂的GaN薄膜，多层量子阱为InGaN/GaN，p型GaN薄膜为镁、锌或铍掺杂的GaN薄膜。
5.按照权利要求4所述的基于石墨烯电极的透明LED，其特征在于，InGaN/GaN的层数为2～10层。
6.按照权利要求4或5所述的基于石墨烯电极的透明LED，其特征在于，InGaN的厚度为3纳米，GaN的厚度为12纳米。
7.一种权利要求1所述的基于石墨烯电极的透明LED的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用化学气相沉积的方法在基底上生长一层第一石墨烯电极；
2)利用沉积的方法在第一石墨烯电极上生长一层n型GaN薄膜；
3)利用沉积的方法在n型GaN薄膜上生长多层量子阱；
4)在多层量子阱上利用沉积的方法生长一层p型GaN薄膜；
5)用FeCl3溶液将基底腐蚀掉；
7)将第一石墨烯电极/n型GaN薄膜/多层量子阱/p型GaN薄膜转移至第一透明衬底，并使第一石墨烯电极与第一透明衬底紧密接触；
8)利用化学气相沉积的方法在另一基底上生长一层第二石墨烯电极，将第二石墨烯电极从基底剥离掉，并转移至p型GaN表面，使第二石墨烯电极与p型GaN紧密接触；
9)在第二石墨烯电极上覆盖第二透明衬底，并使第二石墨烯电极与第二透明衬底紧密结合。
8.按照权利要求7所述的基于石墨烯电极的透明LED的制备方法，其特征在于，基底为Gu箔片或Ni箔片。
9.按照权利要求7所述的基于石墨烯电极的透明LED的制备方法，其特征在于，步骤2)、3)、4)沉积的方法为金属有机物化学气相沉积MOCVD、氢化物气相沉积HVPE或原子层沉积ALD。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112242469A (zh) * | 2020-10-22 | 2021-01-19 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种基于石墨烯电极的垂直结构深紫外led及其制备方法 |
| CN112736176A (zh) * | 2019-10-14 | 2021-04-30 | 中国科学院金属研究所 | 一种提高发光二极管发光效率的方法 |
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| CN103904186A (zh) * | 2014-03-28 | 2014-07-02 | 上海大学 | 基于石墨烯电极的半导体器件及其制备方法 |
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2016
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