CN109192822B - 一种石墨烯/金属纳米颗粒-pmma/石墨烯/氮化镓发光二极管及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/金属纳米颗粒-pmma/石墨烯/氮化镓发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/金属纳米颗粒‑PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管及其制备方法，该发光二极管的结构自下而上依次有蓝宝石衬底层或硅衬底层、氮化镓层、底石墨烯层、金属纳米颗粒‑PMMA层、顶石墨烯层，氮化镓层上设有第一电极，底石墨烯层上设有第二电极，顶石墨烯层上设有第三电极。本发明的石墨烯/金属纳米颗粒‑PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管利用顶石墨烯层产生的栅调控效应对发光二极管的发光强度进行调控，同时结合金属纳米颗粒表面等离子体增强效应提高发光强度，此外结合石墨烯材料的高透光性、高导电性和氮化镓优异的发光特性，具有亮度高，可栅调控的特点，器件制备工艺简单且成本低。

Description

一种石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管 及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法，尤其涉及一种石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)/石墨烯/氮化镓发光二极管及其制造方法，属于发光二极管领域。
背景技术
发光二极管是一种将电能转化为光能的器件，被称为第四代照明光源或绿色光源。发光二极管具有能耗小、重量轻、体积小、功耗低，辐照低和寿命长等优点，现已广泛应用在指示、显示、装饰、照明、背光源等应用领域，具有广泛的发展潜力和市场背景。
氮化镓是第三代半导体材料，具有宽的直接带隙(3.5eV)且化学稳定性好，是一种理想的短波长发光器件材料，广泛应用于微电子和光电子器件领域；石墨烯是一种具有六角蜂窝状晶格的二维碳纳米材料，室温下具有高载流子迁移率(15000cm2/(V·s))、低吸光率(～2.3％)、高导电性、量子霍尔效应以及高热导性，这些独特的优良特性使其可以与传统半导体工艺相结合，制作新型微电子和光电子器件，如：发光二极管、太阳能电池、光电探测器以及生物传感器等等。金属纳米粒子的表面等离子体增强效应，可以大大促进光生载流子的注入，从而可以大幅提高器件的发光强度；栅调制效应可通过外加栅压调控载流子的注入方向和数目，从而改变材料的能带，进一步调节器件的发光强度。
在此基础上，本发明提出了一种石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管结构，并利用简单的制作工艺实现了所述发光二极管的制备。本发明的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管利用顶石墨烯层产生的栅调控效应对发光二极管的发光强度进行调控，同时结合金属纳米颗粒表面等离子体增强效应提高发光强度，此外结合石墨烯材料的高透光性、高导电性和氮化镓优异的发光特性，具有亮度高，可栅调控的特点，器件制备工艺简单且成本低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具栅调控效应和离子体增强效应、且工艺简单的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管及其制备方法。
本发明的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管，自下而上依次有衬底层(1)、氮化镓层(2)、底石墨烯层(3)、金属纳米颗粒-PMMA层(4)、顶石墨烯层(5)，此外，在氮化镓层(2)上设有第一电极(6)，在底石墨烯层(3)上设有第二电极(7)，在顶石墨烯层(5)上设有第三电极(8)；所述的金属纳米颗粒-PMMA层中PMMA的厚度大于金属纳米颗粒的直径，将金属纳米颗粒完全覆盖，并使金属纳米颗粒与顶石墨烯层(5)隔绝。
上述技术方案中，所述的金属纳米颗粒为金、钯、银、钛、铬、镍的一种或几种的复合纳米颗粒，直径为5～200nm。
所述的第一电极(6)、第二电极(7)、第三电极(8)均选自金、钯、银、钛、铬、镍的一种或者几种的复合电极。
所述的氮化镓层为p型或n型多晶氮化镓材料。
所述的底石墨烯层(3)、顶石墨烯层(5)的厚度均为1～10层。
所述的衬底层为蓝宝石或硅衬底。
制备上述的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管的方法，包括如下步骤：
1)在衬底层(1)上用金属化学气相沉积法生长氮化镓外延层(2)；
2)在步骤1)所得氮化镓片上用电子束蒸发镀膜方法沉积第一电极(6)，并预留面积；
3)将步骤2)所得氮化镓片进行表面清洗并干燥表面；
4)将底石墨烯层(3)转移至步骤3)处理后的氮化镓片的预留面积处；
5)在4)处理后的砷化镓片上的底石墨烯层(3)上制作第二电极(7)，并预留面积；
6)将金属纳米颗粒旋涂至步骤5)处理后的底石墨烯层(3)的预留面积处，使其均匀覆盖在底石墨烯层(3)上；
7)将PMMA旋涂至步骤6)处理后的覆盖有金属纳米颗粒的底石墨烯层(3)的预留面积处，使其将金属纳米粒子完全覆盖；
8)将顶石墨烯层(5)转移至步骤7)处理后的PMMA层上；
9)在顶石墨烯层(5)上制作第三电极(8)。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管具有独特的器件结构，使得在外加栅压下，顶石墨烯层可通过栅调控效应调节载流子的注入，从而调节该发光二极管的发光强度；同时，利用金属纳米颗粒的表面等离子体增强效应提高该发光二极管的发光强度；制作工艺简单，成本低。
附图说明
图1为石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管的结构示意图；
图2为石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管在外加栅压下的能带结构图；
图3为石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管的IV曲线图；
图4为金属纳米颗粒/石墨烯/氮化镓和石墨烯/氮化镓发光二极管的发光谱。
图5为石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管在无栅压及外加栅压下的发光谱。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
参照图1，本发明的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管，自下而上依次有蓝宝石衬底层或硅衬底层1、氮化镓层2、底石墨烯层3、金属纳米颗粒-PMMA层4、顶石墨烯层5，在氮化镓层2上设有第一电极6，底石墨烯层3上设有第二电极7，顶石墨烯层5上设有第三电极8。石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管在外加栅压下的能带结构如图2所示。当在第一电极6与第二电极7间加正工作电压，并在第三电极8与第二电极7间加负栅压时，电子会注入到底石墨烯层3中，因此底石墨烯层3的费米能级会因栅调制效应而下降，底石墨烯层3的p掺杂会导致底石墨烯层3和氮化镓层2形成的异质结的势垒降低，从而使工作电流变大，进一步使发光强度增大。石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管的IV曲线如图3所示，表明底石墨烯层3和氮化镓层2形成的异质结具有非对称的肖特基电流曲线。金属纳米颗粒/石墨烯/氮化镓和石墨烯/氮化镓发光二极管的发光谱如图4所示。在石墨烯/氮化镓结构中的石墨烯表面淀积金属纳米颗粒后，由于金属纳米颗粒所产生的表面等离子体增强效应，使得金属纳米颗粒/石墨烯/氮化镓发光二极管的发光强度得到了提升。石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管在无栅压及外加栅压下的发光谱如图5所示。与无栅压对比，在外加负栅压时，栅调控效应使得工作电流变大，进一步使发光强度增大，达到了栅调控调节发光强度的目的。
实施例1
1)在蓝宝石衬底上用金属化学气相沉积法生长p型多晶氮化镓外延层,厚度为2m；
2)在氮化镓外延片一侧利用电子束蒸发法沉积镍金电极，作为第一电极；
3)将得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理；
4)将单层石墨烯转移至砷化镓外延片上，作为底石墨烯层；
5)在底石墨烯层上利用热蒸发工艺沉积银电极，作为第二电极；
6)将直径100nm银纳米颗粒均匀旋涂至底石墨烯层上，将厚度为300nm的PMMA均匀旋涂至银纳米颗粒层上，形成银纳米颗粒-PMMA层；
7)将单层石墨烯转移至银纳米颗粒-PMMA层上，作为顶石墨烯层；
8)在顶石墨烯层上利用热蒸发工艺沉积银电极，作为第三电极，得到石墨烯/银纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管。
在第一电极和第二电极间加工作电压，在第二电极和第三电极间加栅电压，可以利用顶石墨烯层产生栅调控效应，来调节此发光二极管的发光强度。图4即为本例制得的有、无银纳米颗粒情况下的发光二极管的发光谱。可以看出，当工作电流同为2.5mA时，未淀积银纳米颗粒的发光二极管(石墨烯/氮化镓发光二极管)的发光范围在400nm左右，发光强度为30a.u.；而淀积银纳米颗粒的发光二极管(银纳米颗粒/石墨烯/氮化镓发光二极管)的发光强度为70a.u.，相比之下有了很大的提升。图5即对本例制得的发光二极管在工作电压为20V，无栅压以及栅压为-2V时的发光谱。可以看出，当无栅压时，此发光二极管的发光范围在400nm左右，发光强度约为49a.u.；当栅压为-2V时，发光强度增大为90a.u.。这说明，通过栅调控效应，降低了底石墨烯层的费米能级的位置，减少了底石墨烯和氮化镓异质结的势垒高度，增大了工作电流，从而增大了发光强度。
实施例2
1)在蓝宝石衬底上用金属化学气相沉积法生长p型多晶氮化镓外延层,厚度为2m；
2)在氮化镓外延片一侧利用电子束蒸发法沉积镍金电极，作为第一电极；
3)将得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理；
4)将单层石墨烯转移至砷化镓外延片上，作为底石墨烯层；
5)在底石墨烯层上利用热蒸发工艺沉积银电极，作为第二电极；
6)将直径100nm银纳米颗粒均匀旋涂至底石墨烯层上，将厚度为300nm的PMMA均匀旋涂至银纳米颗粒层上，形成银纳米颗粒-PMMA层；
7)将单层石墨烯转移至银纳米颗粒-PMMA层上，作为顶石墨烯层；
8)在顶石墨烯层上利用热蒸发工艺沉积银电极，作为第三电极，得到石墨烯/银纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管。
实施例3
1)在蓝宝石衬底上用金属化学气相沉积法生长p型多晶氮化镓外延层,厚度为2m；
2)在氮化镓外延片一侧利用电子束蒸发法沉积镍金电极，作为第一电极；
3)将得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理；
4)将单层石墨烯转移至砷化镓外延片上，作为底石墨烯层；
5)在底石墨烯层上利用热蒸发工艺沉积银电极，作为第二电极；
6)将直径100nm银纳米颗粒均匀旋涂至底石墨烯层上，将厚度为300nm的PMMA均匀旋涂至银纳米颗粒层上，形成银纳米颗粒-PMMA层；
7)将单层石墨烯转移至银纳米颗粒-PMMA层上，作为顶石墨烯层；
8)在顶石墨烯层上利用热蒸发工艺沉积银电极，作为第三电极，得到石墨烯/银纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管。
实施例4
1)在蓝宝石衬底上用金属化学气相沉积法生长p型多晶氮化镓外延层,厚度为2m；
2)在氮化镓外延片一侧利用电子束蒸发法沉积镍金电极，作为第一电极；
3)将得到的样品依次浸入去离子水、丙酮和异丙醇中，进行表面清洗处理；
4)将单层石墨烯转移至砷化镓外延片上，作为底石墨烯层；
5)在底石墨烯层上利用热蒸发工艺沉积银电极，作为第二电极；
6)将直径100nm银纳米颗粒均匀旋涂至底石墨烯层上，将厚度为300nm的PMMA均匀旋涂至银纳米颗粒层上，形成银纳米颗粒-PMMA层；
7)将单层石墨烯转移至银纳米颗粒-PMMA层上，作为顶石墨烯层；
8)在顶石墨烯层上利用热蒸发工艺沉积银电极，作为第三电极，得到石墨烯/银纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管。

Claims (6)

1.石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管，其特征在于，自下而上依次有衬底层(1)、氮化镓层(2)、底石墨烯层(3)、金属纳米颗粒-PMMA层(4)、顶石墨烯层(5)，此外，在氮化镓层(2)上设有第一电极(6)，在底石墨烯层(3)上设有第二电极(7)，在顶石墨烯层(5)上设有第三电极(8)；所述的金属纳米颗粒-PMMA层中PMMA的厚度大于金属纳米颗粒的直径，将金属纳米颗粒完全覆盖，并使金属纳米颗粒与顶石墨烯层(5)隔绝；
所述的金属纳米颗粒为银纳米颗粒，直径为5～200nm。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管，其特征在于，所述的第一电极(6)、第二电极(7)、第三电极(8)均选自金、钯、银、钛、铬、镍的一种或者几种的复合电极。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管，其特征在于，所述的氮化镓层为p型或n型多晶氮化镓材料。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管，其特征在于，所述的底石墨烯层(3)、顶石墨烯层(5)的厚度均为1～10层。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管，其特征在于，所述的衬底层为蓝宝石或硅衬底。
6.制备如权利要求1-5任一项所述的石墨烯/金属纳米颗粒-PMMA/石墨烯/氮化镓发光二极管的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底层(1)上用金属化学气相沉积法生长氮化镓外延层(2)；
2)在步骤1)所得氮化镓片上用电子束蒸发镀膜方法沉积第一电极(6)，并预留面积；
3)将步骤2)所得氮化镓片进行表面清洗并干燥表面；
4)将底石墨烯层(3)转移至步骤3)处理后的氮化镓片的预留面积处；
5)在4)处理后的砷化镓片上的底石墨烯层(3)上制作第二电极(7)，并预留面积；
6)将金属纳米颗粒旋涂至步骤5)处理后的底石墨烯层(3)的预留面积处，使其均匀覆盖在底石墨烯层(3)上；
7)将PMMA旋涂至步骤6)处理后的覆盖有金属纳米颗粒的底石墨烯层(3)的预留面积处，使其将金属纳米粒子完全覆盖；
8)将顶石墨烯层(5)转移至步骤7)处理后的PMMA层上；
9)在顶石墨烯层(5)上制作第三电极(8)。
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