DE10223706A1

DE10223706A1 - Lichtemissionsdiode

Info

Publication number: DE10223706A1
Application number: DE10223706A
Authority: DE
Inventors: Fang Su Wei; Fuh Lin Ching
Original assignee: National Taiwan University NTU
Current assignee: National Taiwan University NTU
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2003-12-18
Also published as: GB0212304D0; JP2004047121A; GB2389230A; US6838816B2; FR2840502A1; US20030222572A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine einfache und aufwandgünstige, von lumineszenten Nanoteilchen beschichtete Lichtemissionsdiode bereit. Sie nutzt lumineszente Nanoteilchen von Oxyd, Halbleiter und Polymer, um eine Strahlungsquelle von hoher Qualität und niedriger Bandbreite zu produzieren. Die Kolloidteilchen verstreuen sich in der Flüssigkeit homogen, die durch das Beschichtungsverfahren wie Sprüh-, Schmelz- und Spinverfahren auf einem Substrat behandelt wird. Dabei gibt es keine Beschränkung der Größe oder der Gestalt der Substrate. Daher kann eine Strahlungsquelle mit der Eigenschaft Aufwandersparnis in großem Ausmaß und hoher Effizienz hergestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lichtemissionsdiode (LED), insbesondere auf eine Lichtemissionsdiode mit Nanoteilchen.
In der letzten Zeit ist die Technik von Epitaxie soweit verbessert, daß die LED von Doppelheterostruktur mit einer guten Qualität hergestellt werden, die die Quanteneffizient mehr als 90% leisten kann. Jedoch kann sich die Emissionsschichte bei der bekannten Behandlung von Epitaxie nur in einer niedrigen Geschwindigkeit formen.
Weil die Nanoteilchen oder Quantenpunkte zur Erhöhung der Effizienz der Strahlemission beitragen können, liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung daran, eine Lichtemissionsdiode mittels des Einsatzes von Nanoteilchen aufzustellen.
Die kleinen lumineszenten Nanoteilchen können durch chemische Behandlung hergestellt und in Form von Lösung beibehalten werden, oder sie können auch durch die Behandlung von Epitaxie auf der Halbleitersubstrate, wie GaAs, beschichtet werden.
Die chemischen Behandlungen bringen die folgenden Vorteile herbei. Erstens, die lumineszenten Nanoteilchen können in großer Masse hergestellt, im Lösuingsmittel aufgelöst und in Form von Lösung beibehalten werden. Zweitens, sie können einfach mit Hilfe von den bekannten Beschichtungsverfahren, wie die Spritz-, Tauch- oder Spinverfahren, auf der Substrate beschichtet werden. Drittens, deren Formationsgeschwindigkeit kann mehrfach schneller (einige Mikrometer pro Sekunde) sein, und zwar die Flächengröße und Dichte des Materials können damit sehr viel erhöhert werden.
Bei der Verwendung des traditionellen Epitaxieverfahrens ist die Auswahlbedingung der Substrate sehr kritisch. Und zwar deren Formationsgeschwindigkeit ist sehr niedrig, etwa nur einige Mikrometer pro Stunde, und deren Dichte auf der Fläche ist ebenfalls sehr niedrig. Außerdem bedarf es zur Ausführung notwendiger Prozeduren noch teuerer Vakuumsvorrichtung. Der Behandlungsprozeß von dem optistischen Pumpen zeigt, daß mittels der Quantenpunkte von CdS die Funktion von Reizemission sowie Optikverstärkung erfüllt werden können. Darum wird der Behandlungsprozeß von elektrischen Pumpen in der vorliegenden Erfindung eingesetzt, um bessere Effizienz der Strahlenemission zu erreichen.
Die von Nanoteilchen beschichtete Lichtemissionsdiode (LED) weist zumindest eine erste Elektrode, eine Substrate zur Formation der LED, eine lumineszente Nanoteilchenschichte zur Strahlenemission und eine zweite Elektrode. Der Strom wird anhand der genannten ersten und zweiten Elektrode durch die von lumineszenten Nanoteilchen beschichtete LED hindurch geleitet, damit die Nanoteilchenschichte Strahlen emittieren kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1A and Fig. 1B eine Querschnittansicht der Erfindung
Fig. 2 eine I-V Kurvendarstellung gemäß der Erfindung
Fig. 3A-Fig. 3C Emissionsschichte-Spektrum von CdS gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutern.
Fig. 1A zeigt erfindungsmäßig eine Nanoteilchen aufweisende LED 10, die eine erste Elektrode 12, eine Substrate 11, die Schichte der luminiszenten Nanoteilchen 13 und eine zweite Elektrode 14 aufweist. Die erste Elektrode 12 kann eine N-Typ- oder P-Typ-Elektrode aus Metall wie Au, Ag, Al oder Mg sein. Die Substrate 11 besteht beispielsweise aus dem Halbleiter oder einer isolierten Substrate, insbesondere Siliziumsubstrate. Die zweite Elektrode 14 ist dann von der ersten Elektrode entgegengestetzten Elektrodetyp angelegt, also von P-Typ oder N-Typ ebenfalls aus Metall wie Au, Ag, Al oder Mg. Ferner, die luminiszente Nanoteilchenschichte 13 ist grundsätzlich eine Schicht aus Oxyd-Nanoteilchen, Halbleiter-Nanoteilchen (wie CdS- Nanoteilchen) oder Makromolekür-Nanoteilchen. In dem vorbezugten Ausführungsbeispiel hat jedes Teilchen 131 der luminiszenten Teilchenschichte 13 den Diameter von 5 nm bis 500 nm, vorzugsweise kleiner als 10 nm. Denn diejenigen Teilchen, die kleiner als 10 nm sind, können die höhere Effizienz der Strahungsemission erreichen. Außerdem sind die luminiszenten Teilchen gleichmäßig vertreut und kann dadurch die höhere Strahlungseffizienz erlangen.
Fig. 1B zeigt, daß der Strom anhand der ersten Elektrode 21 und der zweiten Elektrode 24 durch die von lumineszenten Nanoteilchen beschichtete Lichtemissionsdiode 20 hindurch geleitet wird, damit die Nanoteilchenschichte 23 Stahle emittieren kann.
Erfindungsmäßig werden die luminiszenten Nanoteilchen in dem folgenden Ausführungsbeispiel hergestellt werden. Zuerst, das auflösbare Pulver von CdS- Nanoteilchen wird durch die Methode Pietros synthetisch hergestellt. Dann wird die Substanz [Cd(CH₃COO)₂2H₂O, 0.8 g, 3.0 m Mol] in die 20 ml bevorzugte gemischte Lösungsmittel von Acetonitril, Methanol und Wasser aufgelöst, die im Proportionsverhältnis von 1 : 1 : 2 stehen. Diese Lösung wird als die erste Lösung bezeichnet. Außerdem wird die Substanz von [Na₂S.9H₂O, 0.36 g, 1.5 m Mol] und p-Hydroxythiophenol (0.56 g, 4.4 m Mol) ebenfalls in die 20 ml bevorzugte gemischte Lösungsmittel von Acetonitril, Methanol und Wasser aufgelöst, eben im Proportionsverhältnis von 1 : 1 : 2. Diese Lösung wird dann als die zweite Lösung bezeichnet. Die erste Lösung und die zweite Lösung werden anschließend zusammen gemischt, in der Zimmertemperatur und ohne Lichtstahlung für 18 Stunde stark geblendet. Nach der Behandlung von Zentrifugierung und mehrfachen Reinigung mit Entionisierungswasser entsteht dann das gelbe Pulver (0.7 g) von CdS-Nanoteilchen, die durch p-Hydroxythiophenol von außen geschützt ist. Durch die Auflösung der Nanoteilchen in Äthanol ist die Lösungskonzentration von 1%(w/v) zur weiteren Spinverfahren vorhanden. Der Diameter der CdS-Nanoteilchen ist etwa Snm.
Erfindungsmäßig wird die Lichtemissionsdiode mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wie folgt dargestellt. Erste, ein Wafer mit niedrigem Widerstand (dotiert als 10¹⁵/cm³) wird als die Substrate verwendet und jeweils mit Azeton, Mehtanol und Entionisierungswasser mittels Ultraschallwelle gereinigt. Danach wird der Wafer auf der Spinvorrichtung angelegt und mit der Spingeschwindigkeit von 4.000 rpm für eine Minute gedreht. In die Spinvorrichtung werden die eben hergestellten CdS- Nanoteilchen jeweils durch die folgenden drei verschiedenen Schritte behandelt:
Muster 1: Einige Tropen CdS-Lösung werden durch Spinverfahren behandelt, dann in der Atmosphäre von der Zimmertemperatur und unter dem niedrigen Druck von 75 mm-Hg für fünf Minuten abgetrocken. Dadurch entsteht der erste Muster von CdS- Nanoteilchen.
Muster 2: Einige Tropen CdS-Lösung werden durch Spinverfahren behandelt, dann und unter dem niedrigen Druck von 75 mm-Hg sowie durch rapide Aufwärmungsbehandlung (RTA) bis auf der Temperatur von 425°C für fünf Minuten abgetrocken. Dadurch entsteht der zweite Muster von CdS-Nanoteilchen.
Muster 3: Die Mischlösung von der Lösung von CdS-Nanoteilchen (1%) und der Lösung von SiO₂-Nanoteilchen (6%, durchschnittlicher Diameter von 12 nm, in Isopropylalkohol aufgelöst) werden durch Spinverfahren behandelt, dann und unter dem niedrigen Druck von 75 mm-Hg sowie durch rapide Aufwärmungsbehandlung (RTA) bis auf der Temperatur von 425°C für fünf Minuten abgetrocken. Dadurch entsteht der dritte Muster von CdS-Nanoteilchen.
Anschließend wird durch die thermische Evaporation auf der Obenseite und Untenseite des Wafers eine 3 nm Schichte von Chromium beschichtet. Weiter wird Au darauf in gleicher Weise so beschichtet, daß eine 10 nm Goldschichte als Obenelektrode und eine 150 nm Goldschichte als Untenelektrode enstehen können. Fig. 2. zeigt die I-V Kurvendarstellungen der Diode von N-Typ bzw. P-Typ bei der Spannung in Hohe von 3 Volt. Im Fall von Muster 1 ist das Spektrum der CdS und das Spektrum der von Mn dotierte CdS dasselbe, wie das im Fig. 3A; deren Spitze der Kurve in Hohe von 526,5 nm (2,355 eV) liegt.
Das Emissionsschichte-Spektrum vom Muster 2, wie in Fig. 3B, stellt zwei Spitze dar. Die eine liegt im Wert von 513,7 nm und die andere von 571,5 nm. Die erste vertritt das Signal (A-Exciton) von Schütt-CdS, das wegen der Temperatursteigerung von Zimmertemperatur auf 450°C von dem Wert von 526,5 nm auf 513,7 nm reduziert wird. Die Kurve des Spektrums kann mit der Kurve Lorentzians für die Streuungszeit von 8fs und FWHM 40 nm genähert werden. Die Spitze von 571,5 nm kann auf dem unreinigem Oxyd zurückgeführt werden. Die hohe Temperatur und der Zerfall von p-Hydroxythiophenol lösen die Diffusion von Oxyd in Nanoteilchen aus. Das Emissionsschichte-Spektrum im Muster 3 ist in Fig. 3C dargestellt. Die Spitze von 513,7 nm (2,414 eV) ist ebenfalls das Signal von A-Exciton von Schütt-CdS bei der Temperatur von 65°C. Die andere Strahlenemission von 571,5 nm kommt, wie schon erwähnt, wegen des unreinigten Oxyds zustande. Die Stärke der Strahlenemission von 571,5 nm ist zehnfach stärker als die im Fall vom Muster 1, bei dem das Erwärmungsverfahren nicht vorgenommen wird. Die merkwürdigen Veränderungen von Wellenlänge sowie Intensität der Strahlenemission der bekannten Lichtemissionsdiode erregen bisher in der technischen Anwendung noch keine Aufmerksamkeit; sie können jedoch eine praktische und einfache Methode zur Herstellung der Lichtemissionsdiode mit einstellbarer Strahlungsfrequenz anbieten.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die speziell dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Das beantragte Patent wird durch die folgenden Patentansprüche genau eingerahmt.

Claims

1. Lichtemissionsdiode mit Nanoteilchen, die zumindest folgendes umfaßt:
eine erste Elektrode zum elektrischen Leiten;
ein Substrat zur Formation der Lichtemissionsdiode;
eine Schicht von lumineszenten Nanoteilchen zur Strahlemission; und
eine zweite Elektrode zum elektrischen Leiten,
wobei der Strom anhand der genannten ersten und zweiten Elektrode durch die Lichtemissionsdiode mit Nanoteilchen hindurch geleitet wird und damit die Schicht der lumineszenten Nanoteilchen Strahlen emittieren kann.

2. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszente Nanoteilchenschicht eine Schicht aus Oxydnanoteilchen umfaßt.

3. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszente Nanoteilchenschicht eine Schicht aus Halbleiter-Nanoteilchen umfaßt.

4. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszente Nanoteilchenschicht eine Schicht aus Makromolekül-Nanoteilchen ist.

5. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszente Nanoteilchenschicht eine Schicht aus CdS-Nanoteilchen ist.

6. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der einzelnen lumineszenten Nanoteilchen zwischen 5 nm und 500 nm liegen.

7. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die lumineszenten Nanoteilchen zur Erlangung einer hohen Strahlungseffizienz gleichmäßig in der Schicht verteilt sind.

8. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Halbleitersubstrat ist.

9. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Isolatorsubstrat ist.

10. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Siliziumsubstrat ist.

11. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode aus einem Material, ausgewählt aus der Metallgruppe von Au, Ag, Al und Mg, besteht.

12. Lichtemissionsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode aus einem Material, ausgewählt aus der Metallgruppe von Au, Ag, Al und Mg, besteht.