CN1988186A - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管，其包括一透明基板、一形成在该透明基板上的阳极电极、一形成在该阳极电极上的绝缘层、一形成在该绝缘层上的阴极电极。该发光二极管进一步包括多个形成在该绝缘层中的碳化硅合金纳米点。本发明还提供一种制作该发光二极管的方法。
Description
【技术领域】
本发明是关于一种发光二极管及其制作方法。
【背景技术】
近年来光电产业发达，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)由于具有体积小、能耗低、高亮度、寿命长及发光稳定等优点，已广泛应用在显示装置及光读写装置中。
在发光二极管的制作上，由于化合物半导体为直接能隙半导体(Direct Semiconductor)，具有较佳的发光效率，因此目前主要还是以化合物半导体为主。然，化合物半导体明显比IV族半导体(C，Si，Ge)成本高出许多，因此业界都在研究如何利用IV族半导体制作发光二极管。IV族半导体为非直接能隙半导体(IndirectSemiconductor)，在发光理论上由于不易遵守动量守恒定律，因此发光效率不高，以硅(Si)或锗(Ge)来说，其电子空穴复合(Electron-holeRecombination)所产生的光为红外线且效率不佳。在IV族半导体可见光发光二极管制作上，目前已经成功的有发蓝光的碳化硅(SiliconCarbon，SiC)薄膜发光二极管，其具有较高的能隙(Energy Bandgap，Eg)，其能隙大约为3eV。
请参阅图1，是一种现有技术的发光二极管的结构示意图。该发光二极管1包括一p型碳化硅(p-SiC)衬底11、一形成在该p型碳化硅衬底11上的n型碳化硅层12、一形成在该n型碳化硅层12上的n型氮化铝层(n-AlN)13、一形成在该p型碳化硅衬底11底部的p型欧姆电极15、一形成在该n型氮化铝层13上的n型欧姆电极16。
请参阅图2，是图1所示的发光二极管没有施加偏压时的能带示意图。该p型碳化硅衬底11的价带131中存在多个空穴111，该n型碳化硅层12及该n型氮化铝层13的导带132中存在多个电子122，由于该p型碳化硅衬底11和该n型碳化硅层12的界面处存在能带差异(Bandgap Offset)，该p型碳化硅衬底11的价带131中多个空穴111无法向该n型碳化硅层12的价带131迁移，同时，该n型碳化硅层12的导带132中多个电子122也无法向该p型碳化硅衬底11的导带132迁移，该多个空穴111和该多个电子122不会复合(Recombination)。
请参阅图3，是图1所示的发光二极管施加正向偏压时的能带示意图。施加正向偏压时，该p型碳化硅衬底11和该n型碳化硅层12的界面处存在的能带差异减小。该p型碳化硅衬底11的价带131中多个空穴111向该n型碳化硅层12的价带131迁移，同时，该n型碳化硅层12的导带132中多个电子122向该p型碳化硅衬底11的导带132迁移。该n型碳化硅层12的导带132中的电子122和进入该n型碳化硅层12的价带131中的空穴111复合，同时发射出光子，所发射光子对应光波的波长由以下公式决定：
入＝1240/Eg(nm)
式中入为光波波长，Eg为半导体材料的能隙。该n型碳化硅层12的能隙大约为3.0eV，该发光二极管所发射光波波长为470nm，即蓝光。
但是，碳化硅为非直接能隙半导体(Indirect Semiconductor)，因此该发光二极管发光效率不高。同时，氮化铝为III-V族化合物，成本较高。
【发明内容】
为了克服现有技术中发光二极管发光效率不高和成本较高的问题，本发明提供一种高发光效率及低成本的发光二极管。
还有必要提供一种制作该发光二极管的方法。
一发光二极管，其包括一透明基板、一形成在该透明基板上的阳极电极、一形成在该阳极电极上的绝缘层一形成在该绝缘层上的阴极电极。该发光二极管进一步包括多个形成在该绝缘层中的碳化硅合金纳米点。
一种制作发光二极管的方法包括以下步骤：a.在一透明基板上形成一阳极电极，并形成该阳极电极图案；b.在该阳极电极上形成一第一绝缘层；c.在该第一绝缘层上形成一层硅纳米点；d.在该层硅纳米点上形成一层碳化硅纳米点；e.进行热处理，使该硅纳米点和该碳化硅纳米点扩散成一层均匀混和的碳化硅合金纳米点；f.在该层碳化硅合金纳米点上形成一第二绝缘层；g.在该第二绝缘层上形成一阴极电极，并形成该阴极电极图案。
和现有技术相比，本发明发光二极管的发光层为碳化硅合金纳米点，其量子效应明显，发光效率高。同时，该发光层材料为IV族半导体，成本较低。
【附图说明】
图1是一种现有技术的发光二极管的结构示意图
图2是图1所示的发光二极管没有施加偏压时的能带示意图。
图3是图1所示的发光二极管施加正向偏压时的能带示意图。
图4是本发明发光二极管的结构示意图。
图5是图4所示的发光二极管的能带示意图。
图6是本发明发光二极管制作方法中在第一绝缘层上形成一层硅纳米点及在该层硅纳米点上形成一层碳化硅纳米点的示意图。
【具体实施方式】
请参阅图4，是本发明发光二极管的结构示意图。该发光二极管2包括一透明基板21、一形成在该透明基板21上的阳极电极22、一形成在该阳极电极22上的绝缘层23、多个形成在该绝缘层23中的碳化硅合金纳米点24、一形成在该绝缘层23上的阴极电极25。其中，该绝缘层23分为一第一绝缘层23a和一第二绝缘层23b，该多个碳化硅合金纳米点24位于该第一绝缘层23a和该第二绝缘层23b的界面处并呈层状分布。该透明基板21为玻璃或树脂。该阳极电极22为氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)或氧化铟锌(Indium ZincOxide，IZO)。该绝缘层23为氮化硅，其厚度为60nm至150nm。该碳化硅合金纳米点24为硅纳米点和氮化硅纳米点混合而成，其直径为5nm至50nm。该阴极电极25为氟化锂和铝的合金、钡、钙和铝的合金等。
请参阅图5，是图4所示的发光二极管的能带示意图。该碳化硅合金纳米点24的导带26中存在多个电子260，其价带27中存在多个空穴270。该发光二极管2没有加载偏压时，由于碳化硅属于非直接能隙半导体，其导带中的电子和价带中的空穴不易遵守动量守恒定律，因此该多个电子260和该多个空穴270不易复合，又该多个电子260和该多个空穴270的数量很小，因此两者很难复合。施加正向偏压时，在外界电场的作用下，该阳极电极22的价带27中的空穴270向该第一绝缘层23a的价带27中迁移并进入该碳化硅合金纳米点24的价带27中，同时，该阴极电极25的导带26中的电子260向该第二绝缘层23b的导带26中迁移并进入该碳化硅合金纳米点24的导带26中。该第一、第二绝缘层23a、23b和该碳化硅合金纳米点24的能带差异(Bandgap Offset)较大，进入该碳化硅合金纳米点24的价带27和导带26中的多个空穴270和多个电子260会被限制在该碳化硅合金纳米点24中。当物质尺度由两维(2D)量子井(Quantum Well)微缩成一维(1D)量子线(Quantum Wire)或零维(0D)量子点(Quantum Dot)时，量子效应便会显现出来。由量子局限效应可知，该多个空穴270和多个电子260在三维方向上的运动都受到限制。由测不准原理可知，当该多个空穴270和多个电子260尺度的变异量越小时，其动量的不准度就会越大，其遵守动量守恒定律的机率也会越大，该多个空穴270和多个电子260复合的机率也会越大，发光效率因此得到提高。所发射光子对应光波的波长仍由以下公式决定：
入＝1240/Eg(nm)
由上式可知，当能隙改变时，所发射光波的波长也相应改变。调变该碳化硅合金纳米点24中碳、硅成份比可改变该碳化硅合金奈米点24的能隙大小，从而使其发出不同波长的光波。
该发光二极管2的制作方法包括以下步骤：
a.在一透明基板上形成一阳极电极，并形成该阳极电极图案；
b.在该阳极电极上形成一第一绝缘层；
c.在该第一绝缘层上形成一层硅纳米点；
d.在该层硅纳米点上形成一层碳化硅纳米点；
e.进行热处理，使该硅纳米点和该碳化硅纳米点扩散成均匀混和的一层碳化硅合金纳米点；
f.在该层碳化硅合金纳米点上形成一第二绝缘层；
g.在该第二绝缘层上形成一阴极电极，并形成该阴极电极图案。
步骤a，采用物理气相沉积(Physics Vapor Deposition，PVD)法在一透明基板21上沉积一阳极电极22，并形成该阳极电极22图案。该沉积的阳极电极22具有较高的功函数(Work Function)，例如氧化铟锡或氧化铟锌等。
步骤b，采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)法在该阳极电极22上沉积一第一绝缘层23a。反应物为SiH4气体和NH3气体，生成物为Si3N4蒸汽，该Si3N4蒸汽沉积在该阳极电极22上形成一Si3N4层，控制该Si3N4层的沉积时间使其厚度在10nm至50nm之间，该Si3N4层具有小于6eV的能隙。
步骤c，请参阅图6，图6是本发明发光二极管制作方法中在第一绝缘层上形成一层硅纳米点及在该层硅纳米点上形成一层碳化硅纳米点的示意图。采用化学气相沉积法在该第一绝缘层23a上沉积一层硅纳米点24a，反应物为硅的化合物，例如SiH4气体等，生成物为硅蒸汽，该硅蒸汽沉积在该第一绝缘层23a上并形成一层硅纳米点24a，该硅纳米点24a的几何大小可以通过控制硅纳米点24a的沉积时间来实现。该硅纳米点24a的沉积时间必须控制在硅纳米点孵化时间(Incubation Time)和硅薄膜层形成时间之间。其中，硅纳米点孵化时间是指化学气相沉积过程中，硅纳米点恰好在绝缘层上出现所用时间，硅薄膜层形成时间是指在该第一绝缘层上硅纳米点稠密的程度达到成为硅薄膜层所用时间。适当控制该硅纳米点24a的沉积时间使其直径在5nm至20nm之间。
步骤d，采用化学气相沉积法在该硅纳米点24a上沉积一层碳化硅纳米点24b。反应物为硅的化合物和碳的化合物，例如SiH4和CH4气体等，该反应必须在较高真空度下进行，生成物为碳化硅蒸汽。该碳化硅蒸汽同时沉积在该硅纳米点24a层及该第一绝缘层23a上，由于在硅材料上形成碳化硅纳米点的孵化时间小于在氮化硅材料上形成碳化硅纳米点的孵化时间，因此，该碳化硅纳米点24b首先在硅纳米点24a上出现。该碳化硅纳米点24b的几何大小可通过控制该碳化硅纳米点24b的沉积时间实现。适当控制碳化硅纳米点24b的沉积时间，使其仅在硅纳米点24a上形成，并使其直径在5nm至20nm之间。
步骤e，进行热处理，例如在高真空度下或惰性气体环境中加热至500℃并维持一段时间，在纳米尺度下，硅纳米点24a和碳化硅纳米点24b的表面能(Surface Energy)会趋于最小，故该硅纳米点24a和该碳化硅纳米点24b会扩散成均匀混和的碳化硅合金纳米点24。其中该碳化硅合金纳米点24的碳、硅成份比可以通过在步骤d中通过控制反应物中硅的化合物和碳的化合物的比例来控制。
步骤f，采用化学气相沉积法在该碳化硅合金纳米点24上沉积一第二绝缘层23b，该第二绝缘层23b和该第一绝缘层23a为同一种材料且成份相同，其厚度为50nm至100nm，其具有小于6eV的能隙。
步骤g，采用物理气相沉积法在该第二绝缘层23b上沉积一阴极电极25，并形成该阴极电极图案，其中该阴极电极25具有较低的功函数，例如Ba、LiF和Al合金、Ca和Al合金等。
在上述制作发光二极管的方法中，步骤e可在步骤f之后进行。
在上述制作发光二极管的方法中，重复实施步骤c、d、e、f，可制得具有多层碳化硅合金纳米点的发光二极管。
在上述制作发光二极管的方法中，在步骤c、d中控制硅纳米点及碳化硅纳米点大小，可制得紫外线发光二极管。
在上述制作发光二极管的方法中，在步骤d中控制反应物中硅的化合物和碳的化合物的比例来控制碳化硅合金纳米点的碳、硅成份比，使制得的发光二极管发出的光红移(即发出可见光的波长向长波方向偏移)或蓝移(即发出可见光的波长向短波方向偏移)。当碳化硅合金纳米点的硅成份多于碳成份时，发光二极管发出的光红移，当碳化硅合金纳米点的碳成份多于硅成份时，发光二极管发出的光蓝移。
本发明发光二极管2的发光层为碳化硅合金纳米点24，其量子效应明显，发光效率高。同时，该发光层材料为IV族半导体，成本较低。
Claims (9)
1.一发光二极管，其包括：一透明基板；一形成在该透明基板上的阳极电极；一形成在该阳极电极上的绝缘层；一形成在该绝缘层上的阴极电极；其特征在于：其进一步包括多个形成在该绝缘层中的碳化硅合金纳米点。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该碳化硅合金纳米点为硅纳米点和碳化硅纳米点混合而成。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该绝缘层为氮化硅；该透明基板为玻璃或树脂；该阳极电极为氧化铟锡或氧化铟锌；该阴极电极为氟化锂和铝的合金、钡、钙和铝的合金之一。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该碳化硅合金纳米点的直径为5nm至50nm，该绝缘层的厚度为60nm至150nm。
5.一种制作发光二极管的方法，其包括以下步骤：a.在一透明基板上形成一阳极电极，并形成该阳极电极图案；b.在该阳极电极上形成一第一绝缘层；c.在该第一绝缘层上形成一层硅纳米点；d.在该层硅纳米点上形成一层碳化硅纳米点；e.进行热处理，使该硅纳米点和该碳化硅纳米点扩散成均匀混和的一层碳化硅合金纳米点；f.在该层碳化硅合金纳米点上形成一第二绝缘层；g.在该第二绝缘层上形成一阴极电极，并形成该阴极电极图案。
6.如权利要求5所述的制作发光二极管的方法，其特征在于：步骤e可在步骤f之后进行。
7.如权利要求5所述的制作发光二极管的方法，其特征在于：重复实施步骤c、d、e、f，可制得具有多层碳化硅合金纳米点的发光二极管。
8.如权利要求5所述的制作发光二极管的方法，其特征在于：在步骤d中控制碳、硅成份比，当硅成份多于碳成份时，发光二极管发出的光红移，当碳成份多于硅成份时，发光二极管发出的光蓝移。
9.如权利要求5所述的制作发光二极管的方法，其特征在于：步骤e，在高真空度下或惰性气体环境中加热至500℃并维持一段时间，该硅纳米点和该碳化硅纳米点扩散成均匀混和的碳化硅合金纳米点。
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