CN1685528A - 分子光发射器件 - Google Patents

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理查德·马特尔
詹姆斯·A·米修奇
詹姆斯·章振祥
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Abstract

本发明涉及分子光发射器件，其中的光发射器件包括：栅电极(101)；沟道(103)，所述沟道(103)包括用于电激励光发射的分子，其中，该分子布置在栅电极(101)的有效范围内；耦合到沟道第一端的源极(104)，所述源极向沟道内注射电子；以及耦合到沟道第二端的漏极(105)，所述漏极向沟道内注射空穴。

Description

分子光发射器件
技术领域
本发明涉及光发射器件(LED)，并更具体地涉及碳纳米管LED。
背景技术
相当长的时间，经济促进在晶片上集成光子结构。然而，为了充分利用近来在构造光子带隙结构方面的进步所提供的唯一机会的优点，需要当用电流以及光激励驱动时能进行光发射的纳米级器件。基于硅的常规半导体光子结构需要集成直接带隙材料或多微孔硅以提供光子源，直接带隙材料或多微孔硅都与强大的技术挑战有关，并且已经投入实际应用。
从而，对能进行电子感应光发射的分子级器件还存在需求，其中，该器件可与硅技术兼容。
发明内容
根据本发明的实施例，光发射器件包括：栅电极；沟道，所述沟道包括用于电激励光发射的分子，其中，该分子布置在栅电极的有效范围内；耦合到沟道第一端的源极，所述源极向沟道内注射电子；以及耦合到沟道第二端的漏极，所述漏极向沟道内注射空穴。
所述分子是碳纳米管和氮化硼纳米管中的一种。
栅电极在基板内形成。栅电极是基板。
所述分子基本上是双极性的。所述分子是整流碳纳米管。所述分子是单壁纳米管和多壁纳米管中的一种。
电荷密度大约在108安/cm2与109安/cm2之间。漏极电压大约是栅电压的两倍，并且，源极接近接地电势。
所述分子基本是不掺杂的。所述分子的第一端是n掺杂的。
沟道包括布置在基板上的一个分子，所述分子用于电激励光发射。沟道包括布置在基板上的至少两个分子，所述分子用于电激励光发射。
根据本发明的实施例，一种产生光的方法包括提供场效应晶体管，该晶体管包括源极、漏极、栅极和沟道，所述沟道包括用于电激励光发射的分子，所述分子具有适于产生所需波长光的直径。所述方法进一步包括：以栅电压向栅极加偏压；通过施加源极与漏极之间的电压而对沟道正向偏压；以及，复合电子和空穴，其中，该复合产生所需波长的光。
沟道是碳纳米管和氮化硼纳米管中的一种。
栅电压和施加到漏极上的电压在沟道的两端上产生适于从沟道导致光发射的电荷密度。
所需波长的光是包括红外光和可见光的一部分光谱。
所述方法包括用n掺杂物掺杂沟道第一部分的步骤，其中，沟道第一部分接近源极。
沟道包括布置在基板上的一个分子，所述分子用于电激励光发射。沟道包括布置在基板上的至少两个分子，所述分子用于电激励光发射。
一种光发射器件包括：沟道，所述沟道包括用于电激励光发射的分子，其中，该分子包括形成分子内p-n结的n型部分和p型部分；
耦合到分子的p型部分的源极，所述源极向分子内注射电子；以及，耦合到分子的n型部分的漏极，所述漏极向分子内注射空穴。
所述分子是碳纳米管和氮化硼纳米管中的一种。
所述分子被正向偏压。所述分子为本征p型，并且，分子的一端被化学n掺杂以形成n型部分。
根据本发明的实施例，一种用于产生光的方法包括提供二端子器件，所述二端子器件包括源极、漏极和沟道，所述沟道包括用于电激励光发射的分子，其中，所述分子包括在分子内形成p-n结的n型部分和p型部分，其中，所述分子具有适于产生所需波长光的直径。所述方法进一步包括：通过施加源极与漏极之间的电压而对分子正向偏压，其中，源极耦合到p型部分，并且漏极耦合到n型部分；以及，复合电子和空穴，其中，所述复合产生所需波长的光。
所述分子是碳纳米管和氮化硼纳米管中的一种。
附图说明
以下结合附图更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1A示出根据本发明实施例的分子光发射器件；
图1B示出根据本发明实施例的分子光发射器件；
图2示出根据本发明实施例的分子光发射器件；
图3示出根据本发明实施例的纳米管；
图4为示出根据本发明实施例的漏极电流-漏极电压图形；以及
图5为根据本发明实施例的方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，具有感应正向偏压p-n结的场效应单分子器件能进行电感应光发射。此发射可来自单个1-d分子，如碳纳米管或氮化硼纳米管，所述单分子为电加压光发射器件提供高定标。
参照图1A，器件包括栅电极101，如硅基板。栅电极可在基板内形成，或者栅电极可以是图1B所示的基板。器件进一步包括栅极氧化物102，如二氧化硅层或氧化铝层，在栅极氧化物102上淀积碳纳米管103。碳纳米管103在栅电极101的有效范围内，从而，栅电极可电激励碳纳米管103，以产生例如100nm的光发射。碳纳米管103例如为单壁碳纳米管，所述单壁碳纳米管具有赋予半导体特性的空间螺旋特性。也可实现多于一个的碳纳米管。源极104和漏极105在碳纳米管103的相反端上形成。可在器件上淀积诸如二氧化硅的帽子106。
碳纳米管分子可以是单壁或多壁的。多壁纳米管具有一系列的同心纳米管圆柱体。根据空间螺旋特性(即，构造几何)，单壁和多壁纳米管可以是金属或半导体。金属纳米管可承载大电流密度，并且电阻率恒定。半导体纳米管可作为场效应晶体管(FET)进行电开启和关闭。可共价结合两种类型(共享电子)。
通过正向偏压p-n结，可从基于分子系统的碳纳米管实现光发射，在正向偏压p-n结中，在空间电荷区上注射空穴和电子。与在常规直接带隙半导体光发射二极管中一样，在空间电荷区中复合多余的电子和空穴可导致发射光子。然而，与以前涉及聚合物或有机膜和晶体的文献相反，根据本发明的实施例，p和n区是单分子的相反端。
参照图2，通过选择掺杂，可在单分子中创建p和n区。例如，本征p型的碳纳米管分子103可放置在源电极104与漏电极105之间。使用平版印刷术，例如包括电子束平版印刷术，对分子的一端进行掩膜201。接着可对暴露端进行掺杂。例如，通过钾掺杂，对本征p型的分子的暴露端进行掺杂，在暴露区中创建n型区。因而，在分子内创建p-n结，接着对分子正向偏压，以产生复合辐射。
根据本发明的实施例，基于纳米管的光发射器件可以是二端子p-n器件或三端子器件。参照图2，可形成包括源极104和漏极105的二端子p-n器件，其中，纳米管103被化学掺杂。二端子器件不包括栅极，因而，可使用化学掺杂的纳米管来产生p-n结。为了产生光，在分子103两端施加偏压，其中，负端耦合到分子的n型端，正端耦合到分子的p型端。三端子器件包括源极104、漏极105和栅极101，并且，分子103可不被化学掺杂，或者可被化学掺杂为扩增场掺杂。
参照图3，在场效应结构的漏极301与源极302之间放置证明双极性的单分子300。接着，用漏极301与源极302电压之间的栅电压值对此结构加偏压。栅极场允许在纳米管的一端注射空穴，并因而表现为p掺杂，可替换地，允许在纳米管的另一端注射电子，并因而表现为n掺杂。由于栅极场在分子两端的相反符号，分子的一侧为p掺杂(h+)，分子的另一侧为n掺杂(e-)。由于p掺杂区在具有更高电压的一侧，因此，在分子中创建的p-n结被正向偏压。以此方式，在单分子中创建正向偏压的p-n结，以实现由电流产生的复合辐射(hv)。在如图3所示的p和n区的区域中，沿着纳米管主体发生复合辐射。
使用碳纳米管构造原型光发射器件。此实例使用上述第一实施例。原型器件包括场效应结构的单个碳纳米管(例如参见图1A-1B)。此器件证明具有双极导电性。
器件端子的电压可用氧化物的厚度来换算。对于源电压接近0(例如，±1/2伏)，漏极电压是栅电压的两倍。例如，对于100nm厚的栅极厚度，通过使源极接地，固定栅极为+5伏，并在漏极上加+10伏偏压，已经观察到光发射。电荷密度可在108安/cm2与109安/cm2之间，然而，这可随着器件参数和几何形状而变化。本领域中技术人员应理解，根据本发明内容，器件的工作电压取决于器件参数和几何形状。例如，更薄的栅极氧化物意味着更低的栅电压操作。在源极附近，由于场效应掺杂，纳米管是n掺杂的。对于纳米管靠近漏极的相反场，在此区域中纳米管是p掺杂的。在图4中，对于+5伏的栅电压且源极接地，在0至+10伏的范围内，漏极电流被描绘成漏极电压的函数。
当以正向偏压结模式工作时，从器件观察到光发射。从碳纳米管的小带隙可预料，该发射在红外线范围内。由于半导体纳米管的带隙换算为1/d，其中，d是管的直径，因此，可在从红外光到可见光的范围内调整器件的发射。
参照图5，一种产生光的方法包括提供场效应晶体管，该晶体管包括源极、漏极、栅极和碳纳米管沟道，所述碳纳米管沟道具有适于产生所需波长光的直径501。栅极可加大约+5伏的偏压502，而且，通过向漏极施加大约+10伏的电压，碳纳米管沟道可被正向偏压503。电子和空穴的复合产生所需波长的光504。纳米管可用于产生光，根据纳米管的直径，所产生光的一部分光谱包括红外光和可见光。
此器件的优点是允许从单分子观察到电感应光发射。而且，由于肖特基势垒较薄，因此，注射到此分子器件中的载流子非常有效，其中，肖特基势垒较薄是因纳米管中的一维静电效应而引起的，例如，即使对于放置在中间间隙的费米能级触点，触点处的隧道效应比率也较高。在此一维系统中纳米管肖特基势垒的特性不太多限制电流，并获得高注射率，这有利于更高的发射效率。从而，此触点方案不需要特殊设计的非对称注射的触点，此非对称注射在光子源的情形中比较普遍。
已经描述能进行电感应光发射的分子级器件的优选实施例，应指出，根据以上论述，本领域中技术人员可作出变更和变化。从而，应该理解，只要在后附权利要求所定义的本发明范围和精神内，可对本发明所公布的特定实施例作出改变。因而，已经结合专利法所要求的细节和特性而描述本发明，其中，希望专利特权许证保护的内容在后附权利要求中提出。

Claims (26)

1.一种光发射器件，包括：
栅电极；
沟道，所述沟道包括用于电激励光发射的分子，其中，该分子布置在栅电极的有效范围内；
耦合到沟道第一端的源极，所述源极向沟道内注射电子；以及
耦合到沟道第二端的漏极，所述漏极向沟道内注射空穴。
2.如权利要求1所述的器件，其中，所述分子是碳纳米管和氮化硼纳米管中的一种。
3.如权利要求1所述的器件，其中，栅电极在基板内形成。
4.如权利要求1所述的器件，其中，栅电极是基板。
5.如权利要求1所述的器件，其中，所述分子基本上是双极性的。
6.如权利要求1所述的器件，其中，所述分子是整流碳纳米管。
7.如权利要求1所述的器件，其中，所述分子是单壁纳米管和多壁纳米管中的一种。
8.如权利要求1所述的器件，其中，电荷密度大约在108安/cm2与109安/cm2之间。
9.如权利要求1所述的器件，其中，漏极电压大约是栅电压的两倍，并且，源极接近接地电势。
10.如权利要求1所述的器件，其中，所述分子基本是不掺杂的。
11.如权利要求1所述的器件，其中，所述分子的第一端是n掺杂的。
12.如权利要求1所述的器件，其中，沟道包括布置在基板上的一个分子，所述分子用于电激励光发射。
13.如权利要求1所述的器件，其中，沟道包括布置在基板上的至少两个分子，所述分子用于电激励光发射。
14.一种用于产生光的方法，包括以下步骤：
提供场效应晶体管，该晶体管包括源极、漏极、栅极和沟道，所述沟道包括用于电激励光发射的分子，所述分子具有适于产生所需波长光的直径；
以栅电压向栅极加偏压；
通过施加源极与漏极之间的电压而对沟道正向偏压；以及
复合电子和空穴，其中，该复合产生所需波长的光。
15.如权利要求14所述的方法，其中，沟道是碳纳米管和氮化硼纳米管中的一种。
16.如权利要求14所述的方法，其中，栅电压和施加到漏极上的电压在沟道的两端上产生适于从沟道导致光发射的电荷密度。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所需波长的光是包括红外光和可见光的一部分光谱。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括用n掺杂物掺杂沟道第一部分的步骤，其中，沟道第一部分接近源极。
19.如权利要求14所述的方法，其中，沟道包括布置在基板上的一个分子，所述分子用于电激励光发射。
20.如权利要求14所述的方法，其中，沟道包括布置在基板上的至少两个分子，所述分子用于电激励光发射。
21.一种光发射器件，包括：
沟道，所述沟道包括用于电激励光发射的分子，其中，该分子包括形成分子内p-n结的n型部分和p型部分；
耦合到分子的p型部分的源极，所述源极向分子内注射电子；以及
耦合到分子的n型部分的漏极，所述漏极向分子内注射空穴。
22.如权利要求21所述的器件，其中，所述分子是碳纳米管和氮化硼纳米管中的一种。
23.如权利要求21所述的器件，其中，所述分子被正向偏压。
24.如权利要求21所述的器件，其中，所述分子为本征p型，并且，分子的一端被化学n掺杂以形成n型部分。
25.一种用于产生光的方法，包括以下步骤：
提供二端子器件，所述二端子器件包括源极、漏极和沟道，所述沟道包括用于电激励光发射的分子，其中，所述分子包括在分子内形成p-n结的n型部分和p型部分，其中，所述分子具有适于产生所需波长光的直径；
通过施加源极与漏极之间的电压而对分子正向偏压，其中，源极耦合到p型部分，并且漏极耦合到n型部分；以及
复合电子和空穴，其中，所述复合产生所需波长的光。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述分子是碳纳米管和氮化硼纳米管中的一种。
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