一種石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)及其制造方法，尤其涉及一種石墨烯-氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管及其制造方法，屬于新型半導體發(fā)光二極管領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]綠色照明是國家“節(jié)能減排”十大重點工程之一。LED照明具有耗電低、壽命長、體積小等優(yōu)點，是國家綠色照明重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。同樣照明情況下，LED燈的耗電量是白熾燈耗電量的十分之一，是節(jié)能燈的二分之一至三分之一。按照能耗估算，如果將國內(nèi)照明換成LED照明燈，每年節(jié)約的電量相當于4個三峽水電站的發(fā)電量，可見LED照明對節(jié)能減排的重要意義。目前廣泛應用的藍光LED，其芯片材料是氮化鎵，發(fā)光層中的阱層是銦鎵氮，其中銦是一種稀儲量元素，美國、英國等有關(guān)部門預測，10年內(nèi)金屬銦將會使用殆盡，限制了氮化鎵基LED產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展。與氮化鎵相比，氧化鋅的內(nèi)量子效率可以達到90%左右，比氮化鎵材料高三倍。從這些角度來衡量，氧化鋅半導體照明技術(shù)的發(fā)展對國家節(jié)能減排政策有深遠意義。
[0003]目前人類還無法獲得穩(wěn)定的合適摻雜濃度的P型氧化鋅材料，導致同質(zhì)結(jié)氧化鋅LED器件技術(shù)發(fā)展處于緩慢發(fā)展甚至是停滯狀態(tài)。氧化鋅P型摻雜技術(shù)的突破必定將帶來氧化鋅LED產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。從另一方面來說，氧化鋅異質(zhì)結(jié)LED器件可以為氧化鋅LED的技術(shù)發(fā)展另辟蹊徑。石墨烯是具有碳的單原子層結(jié)構(gòu)的二維材料，具有高的載流子迀移率，同時具備優(yōu)異的光學及力學性能。石墨烯與氧化鋅組成異質(zhì)結(jié)，石墨烯的表面等離子體增強效應可大大增強氧化鋅的發(fā)光性能；此外，石墨烯的費米能級可調(diào)，這將大大拓展這種發(fā)光二極管的應用空間。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種在可見光波段發(fā)光效率高，且制備工藝簡單的石墨烯-氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管及其制造方法。
[0005]本發(fā)明的石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，自下而上依次有絕緣襯底，石墨烯層及氧化鋅納米線，氧化鋅納米線與石墨烯層形成異質(zhì)結(jié)且至少有一端與絕緣襯底接觸，所述的發(fā)光二極管還設有第一電極與第二電極，第一電極設置在石墨烯層上，所述的第二電極覆蓋氧化鋅納米線的一端，僅連接氧化鋅納米線和絕緣襯底。
[0006]所述的絕緣襯底為絕緣固體或具有絕緣層的固態(tài)導體、半導體及絕緣體，所述的絕緣層為氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、氧化鉿、氧化鈦或氮化硼，厚度為0.4納米至100微米。
[0007]所述的石墨稀層中石墨稀為1~10層。
[0008]所述的第一電極與第二電極均為金、銅、鎳、銀、鈦、鈀、鉻和鉑中的一種或幾種的復合電極。
[0009]制備上述石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的方法，包括如下步驟: 1)將石墨烯轉(zhuǎn)移至潔凈的絕緣襯底上；
2)將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移至石墨烯層上，并使其至少有一端與絕緣襯底接觸；
3)在石墨烯層上制備第一電極；
4)在氧化鋅納米線與絕緣襯底接觸的一端制備第二電極。
[0010]上述技術(shù)方案中，制備第一電極和第二電極采用的方法為電子束蒸發(fā)、磁控濺射、熱蒸發(fā)、涂覆、印刷或者打印。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提出了一種新型的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，通過將氧化鋅納米線與石墨烯形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)成發(fā)光二極管，本發(fā)明的發(fā)光二極管在可見光波段發(fā)光效率高，且本發(fā)明的制備工藝簡單，成本較低，有利于廣泛應用。
[0012]【附圖說明】:
圖1為石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管伏安特性；
圖4為石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的電致發(fā)光譜。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0014]參照圖1和圖2，本發(fā)明的石墨烯-氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，自下而上依次有絕緣襯底1，石墨烯層2及氧化鋅納米線3，氧化鋅納米線3與石墨烯層2形成異質(zhì)結(jié)且至少有一端與絕緣襯底I接觸，所述的發(fā)光二極管還設有第一電極4與第二電極5，第一電極4設置在石墨烯層2上，所述的第二電極5覆蓋氧化鋅納米線3的一端，僅連接氧化鋅納米線3和絕緣襯底1，如圖1和圖2所示的發(fā)光二極管，氧化鋅納米線橫搭在石墨烯層上，且兩端均與絕緣襯底接觸，在該發(fā)光二極管上設置了兩個第一電極及兩個第二電極。
[0015]實施例1
1)將硅/二氧化硅襯底清洗干凈并吹干，轉(zhuǎn)移單層石墨烯至硅片覆蓋有二氧化硅的一面上；二氧化娃層的厚度為10nm ；
2)采用微納光纖技術(shù)轉(zhuǎn)移氧化鋅納米線至石墨烯層上，使氧化鋅納米線與石墨烯形成異質(zhì)結(jié)且氧化鋅納米線至少一端與襯底接觸；
3)在石墨稀層上采用電子束蒸發(fā)法制備60nm厚的金電極；
4)在氧化鋅納米線與襯底接觸的一端利用電子束蒸發(fā)法制備60納米厚的金電極；獲得石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。
[0016]本例的石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的伏安特性曲線見圖3 ;其電致發(fā)光譜見圖4，從圖可知，本例制得的發(fā)光二極管在可見光波段發(fā)光效率高。
[0017]實施例2:
1)將拋光的碳化硅襯底片清洗干凈并吹干，轉(zhuǎn)移厚度為10個原子層的石墨烯至襯底一面上；
2)采用旋涂氧化鋅納米線分散液的方法將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移至石墨烯層上，使氧化鋅納米線與石墨稀形成穩(wěn)定接觸；
3)在石墨烯層上直接涂覆銅漿電極并烘干； 4)在氧化鋅納米線與襯底接觸的一端上涂覆銅漿電極并烘干，獲得石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。
[0018]實施例3:
1)將覆蓋有100微米厚氮化硅的銅片清洗干凈并吹干，轉(zhuǎn)移5個原子層厚度的石墨烯至銅片覆蓋有氮化硅的一面上；
2)采用微納光纖技術(shù)將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到石墨烯層上，使氧化鋅納米線與石墨烯形成穩(wěn)定接觸且氧化鋅納米線至少一端與襯底接觸；
3)在石墨烯層上采用磁控濺射法制備50nm厚的鎳電極；
4)在氧化鋅納米線與襯底接觸的一端利用磁控濺射法制備50納米厚的鎳電極；獲得石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。
[0019]實施例4:
1)將石英襯底清洗干凈并吹干，轉(zhuǎn)移雙層石墨烯至石英襯底上；
2)采用微納光纖技術(shù)將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到石墨烯層上，使氧化鋅納米線與石墨烯形成穩(wěn)定接觸且氧化鋅納米線至少一端與襯底接觸；
3)在石墨烯層上利用打印的方法制作銀電極；
4)在氧化鋅納米線與襯底接觸的一端利用打印的方法制作銀電極，獲得石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。
[0020]實施例5:
1)將覆蓋有100納米氮氧化硅的鋁襯底清洗干凈并吹干，轉(zhuǎn)移雙層石墨烯至鋁襯底覆蓋有氮氧化硅的一面上；
2)采用旋涂氧化鋅納米線分散液的方法將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移至石墨烯層上，使氧化鋅納米線與石墨稀形成穩(wěn)定接觸；
3)在石墨烯層上印刷銀電極；
4)在氧化鋅納米線與襯底接觸的一端上印刷銀電極，獲得石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。
[0021]實施例6:
1)將覆蓋有0.4納米氮化硼的鍺襯底清洗干凈并吹干，轉(zhuǎn)移三層石墨烯至鍺襯底覆蓋有氮化硼的一面上；
2)采用微納光纖技術(shù)將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到石墨烯層上，使氧化鋅納米線與石墨烯形成穩(wěn)定接觸且氧化鋅納米線至少一端與襯底接觸；
3)在石墨烯層上利用熱蒸發(fā)法制作銀、鈦復合電極；
4)在氧化鋅納米線與襯底接觸的一端利用熱蒸發(fā)的方法制作銀、鈦復合電極，獲得石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。
[0022]實施例7:
1)將覆蓋有60納米氧化鉿的砷化鎵襯底清洗干凈并吹干，轉(zhuǎn)移三層石墨烯至砷化鎵襯底覆蓋有氧化鉿的一面上；
2)采用微納光纖技術(shù)將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到石墨烯層上，使氧化鋅納米線與石墨烯形成穩(wěn)定接觸且氧化鋅納米線至少一端與襯底接觸；
3)在石墨烯層上利用電子束蒸發(fā)法制作鎳電極； 4)在氧化鋅納米線與襯底接觸的一端利用電子束蒸發(fā)法制作鎳電極，獲得石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。
【主權(quán)項】
1.一種石墨烯-氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，其特征在于自下而上依次有絕緣襯底(I )，石墨烯層(2)及氧化鋅納米線(3)，氧化鋅納米線(3)與石墨烯層(2)形成異質(zhì)結(jié)且至少有一端與絕緣襯底(I)接觸，所述的發(fā)光二極管還設有第一電極(4)與第二電極(5)，第一電極(4)設置在石墨烯層(2)上，所述的第二電極(5)覆蓋氧化鋅納米線(3)的一端，僅連接氧化鋅納米線(3)和絕緣襯底(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，其特征在于所述的絕緣襯底(I)為絕緣固體或具有絕緣層的固態(tài)導體、半導體及絕緣體，所述的絕緣層為氧化硅、氮化娃、碳化娃、氮氧化娃、氧化給、氧化鈦或氮化硼，厚度為0.4納米至100微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，其特征在于所述的石墨稀層(2)中石墨稀為1~10層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，其特征在于所述的第一電極(4)與第二電極(5)均為金、銅、鎳、銀、鈦、鈀、鉻和鉑中的一種或幾種的復合電極。
5.制備如權(quán)利要求1~4任一項所述的石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)將石墨烯轉(zhuǎn)移至潔凈的絕緣襯底(I)上； 2)將氧化鋅納米線(3)轉(zhuǎn)移至石墨烯層(2)上，并使其至少有一端與絕緣襯底(I)接觸； 3)在石墨烯層(2)上制備第一電極(4); 4)在氧化鋅納米線(3)與絕緣襯底(I)接觸的一端制備第二電極(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于制備第一電極(4)和第二電極(5)采用的方法為電子束蒸發(fā)、磁控濺射、熱蒸發(fā)、涂覆、印刷或者打印。
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管，自下而上依次有絕緣襯底，石墨烯層及氧化鋅納米線，氧化鋅納米線與石墨烯層形成異質(zhì)結(jié)且至少有一端與絕緣襯底接觸，所述的發(fā)光二極管還設有第一電極與第二電極，第一電極設置在石墨烯層上，所述的第二電極覆蓋氧化鋅納米線的一端，僅連接氧化鋅納米線和絕緣襯底；其制造方法如下：將石墨烯轉(zhuǎn)移至絕緣襯底上；將氧化鋅納米線轉(zhuǎn)移到石墨烯上使其與石墨烯形成異質(zhì)結(jié)；在石墨烯層上制備第一電極，在氧化鋅納米線一端制備第二電極，獲得發(fā)光二極管。本發(fā)明的石墨烯/氧化鋅異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管在可見光波段發(fā)光效率高，且本發(fā)明的制備工藝簡單，成本較低，有利于廣泛應用。
【IPC分類】H01L33-00, H01L33-06, H01L33-08
【公開號】CN104681675
【申請?zhí)枴緾N201410830455
【發(fā)明人】徐一夢, 邱彩玉, 丁雯, 張新娟
【申請人】溫州生物材料與工程研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2014年12月29日