CN112786755A - 发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管，包括：一第一半导体层、一活性层、一第二半导体层、一第一电极以及一第二电极，所述第一半导体层具有相对的第一表面及第二表面，所述第一电极设置在所述第一半导体层的第一表面，并与该第一表面直接接触，所述第一半导体层的第二表面与所述活性层接触设置，所述第二半导体层具有相对的第三表面及第四表面，所述第二电极设置在所述第二半导体层的第三表面，并与该第三表面直接接触，所述第二半导体层的第四表面与所述活性层接触设置，所述第一电极为一单根的第一碳纳米管，所述第二电极为一单根的第二碳纳米管，且第一碳纳米管的延伸方向与所述第二碳纳米管的延伸方向交叉设置。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及一种纳米尺寸的发光二极管。
背景技术
传统的发光二极管通常包括N型半导体层、P型半导体层、设置在N型半导体层与P型半导体层之间的活性层、设置在P型半导体层上的P型电极(通常为透明电极)以及设置在N型半导体层上的N型电极。发光二极管处于工作状态时，在P型半导体层与N型半导体层上分别施加正、负电压，这样，存在于P型半导体层中的空穴与存在于N型半导体层中的电子在活性层中发生复合而产生光子，且光子从发光二极管中射出。
然而，现有的发光二极管一般尺寸都比较大，目前还没有实现纳米尺寸的发光二极管，这使得发光二极管的使用受到很大的限制。另外，现有的发光二极管的P型电极以及N型电极对光的吸收或反射比较严重，进而使得发光二极管的发光效果受到很大的影响。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种纳米尺寸的发光二极管，该纳米尺寸的发光二极管的发光效率较高。
一种发光二极管，包括：
一第一半导体层，所述第一半导体层具有相对的第一表面及第二表面；
一第二半导体层，所述第二半导体层具有相对的第三表面及第四表面；
一活性层，该活性层位于所述第一半导体层和第二半导体层之间，且所述活性层与所述第二表面和第四表面直接接触设置；
一第一电极，所述第一电极设置在所述第一半导体层的第一表面，并与该第一表面直接接触；以及
一第二电极，所述第二电极设置在所述第二半导体层的第三表面，并与该第三表面直接接触，
所述第一电极为一单根的第一碳纳米管，所述第二电极为一单根的第二碳纳米管，且第一碳纳米管的延伸方向与所述第二碳纳米管的延伸方向交叉设置，在所述第一碳纳米管以及第二碳纳米管的交叉点处，在垂直于所述第一半导体层的方向上，所述第一碳纳米管、第一半导体层、活性层、第二半导体层以及第二碳纳米管的重叠区域形成一多层结构。
相较于现有技术，本发明的发光二极管通过交叉设置的两个单根的碳纳米管夹持二维半导体层以及活性层形成，由于两个单根碳纳米管的直径为纳米级，在两个单根碳纳米管的交叉点处，该两个交叉的单根碳纳米管和半导体层以及活性层的重叠区域处可以形成一纳米尺寸的p-n结或p-i-n结，进而使得该发光二极管的尺寸可以缩小到纳米级，这在未来显示、近场光学等领域将会有重要应用。另外，本发明中的发光二极管的两个电极均为单根的碳纳米管，由于碳纳米管对光的吸收或反射可以忽略不计，碳纳米管的透光度较好。因此，本发明中的发光二极管相对于采用一般传统电极的发光二极管的出光效率高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的发光二极管的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的发光二极管的侧视结构示意图。
图3为本发明实施例提供的发光二极管的俯视结构示意图。
主要元件符号说明
发光二极管 10
第一半导体层 110
活性层 120
第二半导体层 130
第一电极 140
第二电极 150
多层结构 160
基底 170
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的发光二极管作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种发光二极管10，其包括：一第一半导体层110、一活性层120，一第二半导体层130、一第一电极140以及一第二电极150。所述第一半导体层110、活性层120以及第二半导体层130依次层叠设置，且所述第一半导体层110和第二半导体层130在垂直于该第一半导体层110和第二半导体层130的方向上形成一p-n结或p-i-n结。所述第一半导体层110具有相对的第一表面(未标示)及第二表面(未标示)，所述第一电极140设置在所述第一半导体层110的第一表面，并与该第一表面直接接触，所述第一半导体层110的第二表面与所述活性层120接触设置。所述第二半导体层130具有相对的第三表面(未标示)及第四表面(未标示)，所述第二电极150设置在所述第二半导体层130的第三表面，并与该第三表面直接接触，所述第二半导体层130的第四表面与所述活性层120接触设置。其中，所述第一电极140为一单根的第一碳纳米管，所述第二电极150为一单根的第二碳纳米管，且第一碳纳米管的延伸方向与所述第二碳纳米管的延伸方向交叉设置。
所述第一半导体层110、第二半导体层130均为一二维结构。所述二维材料是指电子仅可在两个维度的纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱等。所述第一半导体层110、第二半导体层130分别为N型半导体层和P型半导体层两种类型中的一种。具体地，当该第一半导体层110为N型半导体层时，第二半导体层130为P型半导体层；当该第一半导体层110为P型半导体层时，第二半导体层130为N型半导体层。所述N型半导体层起到提供电子的作用，所述P型半导体层起到提供空穴的作用。所述P型半导体层或N型半导体层的材料不限，可以为无机化合物半导体、元素半导体、有机半导体材料或这些材料掺杂后的材料。例如，N型半导体层的材料包括N型氮化镓、N型砷化镓N型磷化铜、及硫化钼(MoS2)等材料中的一种或几种。P型半导体层的材料包括P型氮化镓、P型砷化镓、P型磷化铜、及硒化钨(WSe2)等材料中的一种或几种。优选的，所述第一半导体层110的厚度为0.5纳米到100纳米。更优选的，所述第一半导体层110的厚度为0.5纳米到50纳米。本实施例中，所述第一半导体层110的厚度为16纳米，所述第一半导体层110为N型半导体层，该N型半导体层的材料为硫化钼(MoS2)。
优选地，所述活性层120覆盖所述第一半导体层110的第二表面的整个表面。所述活性层120为包含一层或多层量子阱层的量子阱结构(Quantum Well)。所述活性层120用于提供光子。所述活性层120的材料为氮化镓、氮化铟镓、氮化铟镓铝、砷化稼、砷化铝稼、磷化铟镓、磷化铟砷或砷化铟镓中的一种或几种，其厚度为10纳米至100纳米。本实施例中，所述活性层120为一氮化镓层，其厚度约为30纳米。
优选的，所述第二半导体层130覆盖所述活性层120远离第一半导体层110的整个表面。优选的，所述第二半导体层130的厚度为0.5纳米到100纳米。更优选的，所述第二半导体层130的厚度为0.5纳米到50纳米。所述第二半导体层130可为N型半导体层或P型半导体层两种类型，并且所述第二半导体层130与第一半导体层110分属两种不同类型的半导体层。所述第二半导体层130的第三表面作为所述发光二极管10的出光面。本实施例中，所述第二半导体层130为硒化钨(WSe2)，其厚度为14纳米。
所述第一电极140为一单根的第一碳纳米管，该第一碳纳米管为金属型碳纳米管。该第一碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。第一碳纳米管的直径不限，可以为0.5纳米～100纳米，在某些实施例中，第一碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米。优选地，第一碳纳米管为单壁碳纳米管，其直径为0.5纳米～2纳米。本实施例中，所述第一碳纳米管的直径为1纳米。本实施例中，所述第一碳纳米管为一内壳碳纳米管，该内壳碳纳米管是指双壁碳纳米管或多壁碳纳米管的最内层碳纳米管。所述内壳碳纳米管可以从一超长双壁碳纳米管或超长多壁碳纳米管中拉取得到，该超长双壁碳纳米管或超长多壁碳纳米管是指双壁碳纳米管或多壁碳纳米管的长度在150微米以上。优选的，超长双壁碳纳米管或超长多壁碳纳米管的长度为150微米-300微米。具体的，在超长双壁碳纳米管或超长多壁碳纳米管的两端拉伸该超长双壁碳纳米管或超长多壁碳纳米管，使超长双壁碳纳米管或超长多壁碳纳米管的外壁在中间部位断裂，使该超长双壁碳纳米管或超长多壁碳纳米管的中间部分仅剩下最内层的碳纳米管，进而得到一段最内层的碳纳米管，即内壳碳纳米管，外壁是指除了最内层的碳纳米管壁之外的碳纳米管壁。该内壳碳纳米管具有干净的表面，表面没有杂质，因此所述第一碳纳米管作为第一电极能够与所述第一半导体层110很好的接触。当然，所述第一碳纳米管并不限定为本实施例中的内壳碳纳米管，也可以为其它的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
所述第二电极150为一单根的第二碳纳米管，该第二碳纳米管为金属型碳纳米管。该第二碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。第二碳纳米管的直径不限，可以为0.5纳米～100纳米，在某些实施例中，第二碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米。优选地，第二碳纳米管为单壁碳纳米管，其直径为0.5纳米～2纳米。本实施例中，所述第二碳纳米管的直径为1纳米。本实施例中，所述第二碳纳米管与第一碳纳米管相同，也为一内壳碳纳米管。该内壳碳纳米管具有干净的表面，表面没有杂质，因此所述第二碳纳米管作为第二电极能够与所述第二半导体层130很好的接触。当然，所述第二碳纳米管并不限定为本实施例中的内壳碳纳米管，也可以为其它的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
所述第一碳纳米管的延伸方向与第二碳纳米管的延伸方向交叉设置是指第一碳纳米管的延伸方向与第二碳纳米管的延伸方向之间形成一夹角，该夹角大于0度小于等于90度。本实施例中，所述第一碳纳米管的延伸方向和第二碳纳米管的延伸方向相互垂直，即夹角为90度。
请参阅图2，在所述第一碳纳米管以及第二碳纳米管的交叉点处，在垂直于所述第一半导体层110的方向上，所述第一碳纳米管、第一半导体层110、活性层120、第二半导体层130以及第二碳纳米管的重叠区域形成一多层结构160。该多层结构160定义一横向截面，所述横向截面即平行于第一半导体层110表面方向的截面，所述纵向截面即垂直于半导体层110表面的方向的截面。由于第一碳纳米管以及第二碳纳米管相对于第一半导体层110的尺寸较小，所述横向截面的面积由第一碳纳米管或第二碳纳米管的直径决定，因此该多层结构160的横向截面的面积也为纳米尺寸，所述纵向截面的面积由第一碳纳米管或第二碳纳米管的直径以及第一半导体层110和第二半导体层130以及活性层120的厚度决定。由于第一碳纳米管102和第二碳纳米管106的直径均为纳米级，而且第一半导体层110和第二半导体层130以及活性层的厚度也为纳米级，所以该多层结构160的横向截面的面积以及纵向截面的面积也均是纳米级。优选地，该多层结构的横向截面的面积为1nm2～100nm2。因此，该第一半导体层110和第二半导体层130可以在所述重叠区域处形成一垂直点p-n结或垂直点p-i-n结。
由于所述发光二级管10在应用时，当给发光二极管10加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在垂直点p-n结或垂直点p-i-n结附近分别与N区的电子和P区的空穴复合，垂直点p-n结或垂直点p-i-n结中的活性层产生光子进而发光。因此，所述半导体结构100的有效部分为所述第一碳纳米管、第一半导体层110、活性层120、第二半导体层130以及第二碳纳米管的重叠区域形成的多层结构160，所以所述发光二极管10的整体尺寸只需确保大于多层结构160的体积即可，进而使得所述发光二极管10的尺寸可以缩小到纳米尺寸，实现纳米尺寸的发光二极管。纳米尺寸的发光二极管在未来显示、近场光学等领域将会有重要应用。
在某些实施例中，所述发光二极管10可进一步包括一基底170，所述第一电极140、第一半导体层110、活性层120、第二半导体层130以及第二电极150依次层叠设置于所述基底的表面。所述基底170主要起支撑作用，所述基底170的材料为透明且不吸光的材料。包括SOI(silicon on insulator，绝缘基底上的硅)、LiGaO2、LiAlO2、Al2O3、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP:Zn或GaP:N等。本实施例中，所述基底170的材料为硅。可以理解，所述基底170为一可选择元件。
进一步的，可在基底170远离所述活性层120的表面设置一反射层180(图未示)，所述反射层的材料可为钛、银、铝、镍、金或其任意组合。当活性层120中产生的光子到达所述反射层后，所述反射层可将光子反射，从而使之从所述发光二极管10的出光面射出，进而可进一步提高所述发光二极管10的出光效率。
进一步的，所述第二半导体层130远离所述活性层120的第三表面可以进一步包括多个三维纳米结构。所述三维纳米结构用于提高所述发光二极管10的出光率。
本发明所提供的发光二极管具有以下优点：第一，本发明的发光二极管通过交叉设置的两个单根的碳纳米管夹持二维半导体层以及活性层形成，由于两个单根碳纳米管的直径为纳米级，在两个单根碳纳米管的交叉点处，该两个交叉的单根碳纳米管和半导体层以及活性层的重叠区域处可以形成一纳米尺寸的p-n结或p-i-n结，进而使得该发光二极管的尺寸可以缩小到纳米级，这在未来显示、近场光学等领域将会有重要应用。第二，本发明中的发光二极管的两个电极均为单根的碳纳米管，由于碳纳米管对光的吸收或反射可以忽略不计，碳纳米管的透光度较好。因此，本发明中的发光二极管相对于采用一般传统电极的发光二极管的出光效率高。其三，由于碳纳米管具有优异的导电性能，因此，采用碳纳米管作发光二极管的电极，可以相应的提高发光二极管的有效工作电流，减少电流的损失。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管，包括：
一第一半导体层，所述第一半导体层具有相对的第一表面及第二表面；
一第二半导体层，所述第二半导体层具有相对的第三表面及第四表面；
一活性层，该活性层位于所述第一半导体层和第二半导体层之间，且所述活性层与所述第二表面和第四表面直接接触设置；
一第一电极，所述第一电极设置在所述第一半导体层的第一表面，并与该第一表面直接接触；以及
一第二电极，所述第二电极设置在所述第二半导体层的第三表面，并与该第三表面直接接触，
其特征在于，所述第一电极为一单根的第一碳纳米管，所述第二电极为一单根的第二碳纳米管，且第一碳纳米管的延伸方向与所述第二碳纳米管的延伸方向交叉设置，在所述第一碳纳米管以及第二碳纳米管的交叉点处，在垂直于所述第一半导体层的方向上，所述第一碳纳米管、第一半导体层、活性层、第二半导体层以及第二碳纳米管的重叠区域形成一多层结构。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层的厚度为0.5纳米到100纳米，所述第二半导体层的厚度为0.5纳米到100纳米。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该第一半导体层的材料为硫化钼，该第二半导体层的材料为硒化钨。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一碳纳米管的延伸方向垂直于所述第二碳纳米管的延伸方向。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一碳纳米管和第二碳纳米管为内壳碳纳米管，该内壳碳纳米管为双壁碳纳米管或多壁碳纳米管的最内层的碳纳米管。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一碳纳米管和第二碳纳米管均为金属型的单壁碳纳米管。
7.如权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述第一碳纳米管和第二碳纳米管的直径均为0.5纳米～2纳米。
8.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，该多层结构的横向截面的面积为1nm2～100nm2。
9.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，进一步包括一基底，所述第一电极、第一半导体层、活性层、第二半导体层以及第二电极依次层叠设置于所述基底的表面。
10.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述基底远离所述活性层的表面进一步包括一反射层。
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