CN104681675A - 一种石墨烯/氧化锌异质结发光二极管及其制造方法 - Google Patents

一种石墨烯/氧化锌异质结发光二极管及其制造方法 Download PDF

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邱彩玉
丁雯
张新娟
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Abstract

本发明公开的一种石墨烯/氧化锌异质结发光二极管，自下而上依次有绝缘衬底，石墨烯层及氧化锌纳米线，氧化锌纳米线与石墨烯层形成异质结且至少有一端与绝缘衬底接触，所述的发光二极管还设有第一电极与第二电极，第一电极设置在石墨烯层上，所述的第二电极覆盖氧化锌纳米线的一端，仅连接氧化锌纳米线和绝缘衬底；其制造方法如下：将石墨烯转移至绝缘衬底上；将氧化锌纳米线转移到石墨烯上使其与石墨烯形成异质结；在石墨烯层上制备第一电极，在氧化锌纳米线一端制备第二电极，获得发光二极管。本发明的石墨烯/氧化锌异质结发光二极管在可见光波段发光效率高，且本发明的制备工艺简单，成本较低，有利于广泛应用。

Description

一种石墨烯/氧化锌异质结发光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管器件结构及其制造方法，尤其涉及一种石墨烯-氧化锌异质结发光二极管及其制造方法，属于新型半导体发光二极管领域。
背景技术
绿色照明是国家“节能减排”十大重点工程之一。LED照明具有耗电低、寿命长、体积小等优点，是国家绿色照明重点发展的产业。同样照明情况下，LED灯的耗电量是白炽灯耗电量的十分之一，是节能灯的二分之一至三分之一。按照能耗估算，如果将国内照明换成LED照明灯，每年节约的电量相当于4个三峡水电站的发电量，可见LED照明对节能减排的重要意义。目前广泛应用的蓝光LED，其芯片材料是氮化镓，发光层中的阱层是铟镓氮，其中铟是一种稀储量元素，美国、英国等有关部门预测, 10年内金属铟将会使用殆尽，限制了氮化镓基LED产业的长远发展。与氮化镓相比，氧化锌的内量子效率可以达到90%左右，比氮化镓材料高三倍。从这些角度来衡量，氧化锌半导体照明技术的发展对国家节能减排政策有深远意义。
目前人类还无法获得稳定的合适掺杂浓度的p型氧化锌材料，导致同质结氧化锌LED器件技术发展处于缓慢发展甚至是停滞状态。氧化锌p型掺杂技术的突破必定将带来氧化锌LED产业的大发展。从另一方面来说，氧化锌异质结LED器件可以为氧化锌LED的技术发展另辟蹊径。石墨烯是具有碳的单原子层结构的二维材料，具有高的载流子迁移率，同时具备优异的光学及力学性能。石墨烯与氧化锌组成异质结，石墨烯的表面等离子体增强效应可大大增强氧化锌的发光性能；此外，石墨烯的费米能级可调，这将大大拓展这种发光二极管的应用空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种在可见光波段发光效率高，且制备工艺简单的石墨烯-氧化锌异质结发光二极管及其制造方法。
本发明的石墨烯/氧化锌异质结发光二极管，自下而上依次有绝缘衬底，石墨烯层及氧化锌纳米线，氧化锌纳米线与石墨烯层形成异质结且至少有一端与绝缘衬底接触，所述的发光二极管还设有第一电极与第二电极，第一电极设置在石墨烯层上，所述的第二电极覆盖氧化锌纳米线的一端，仅连接氧化锌纳米线和绝缘衬底。
所述的绝缘衬底为绝缘固体或具有绝缘层的固态导体、半导体及绝缘体，所述的绝缘层为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化钛或氮化硼，厚度为0.4纳米至100微米。
所述的石墨烯层中石墨烯为1~10层。
所述的第一电极与第二电极均为金、铜、镍、银、钛、钯、铬和铂中的一种或几种的复合电极。
制备上述石墨烯/氧化锌异质结发光二极管的方法，包括如下步骤：
1）将石墨烯转移至洁净的绝缘衬底上；
2）将氧化锌纳米线转移至石墨烯层上，并使其至少有一端与绝缘衬底接触；
3）在石墨烯层上制备第一电极；
4）在氧化锌纳米线与绝缘衬底接触的一端制备第二电极。
上述技术方案中，制备第一电极和第二电极采用的方法为电子束蒸发、磁控溅射、热蒸发、涂覆、印刷或者打印。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种新型的发光二极管结构，通过将氧化锌纳米线与石墨烯形成异质结构成发光二极管，本发明的发光二极管在可见光波段发光效率高，且本发明的制备工艺简单，成本较低，有利于广泛应用。
附图说明：
图1为石墨烯/氧化锌异质结发光二极管的截面结构示意图；
图2为石墨烯/氧化锌异质结发光二极管的俯视结构示意图；
图3为石墨烯/氧化锌异质结发光二极管伏安特性；
图4为石墨烯/氧化锌异质结发光二极管的电致发光谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参照图1和图2，本发明的石墨烯-氧化锌异质结发光二极管，自下而上依次有绝缘衬底1，石墨烯层2及氧化锌纳米线3，氧化锌纳米线3与石墨烯层2形成异质结且至少有一端与绝缘衬底1接触，所述的发光二极管还设有第一电极4与第二电极5，第一电极4设置在石墨烯层2上，所述的第二电极5覆盖氧化锌纳米线3的一端，仅连接氧化锌纳米线3和绝缘衬底1，如图1和图2所示的发光二极管，氧化锌纳米线横搭在石墨烯层上，且两端均与绝缘衬底接触，在该发光二极管上设置了两个第一电极及两个第二电极。
实施例1
1）将硅/二氧化硅衬底清洗干净并吹干，转移单层石墨烯至硅片覆盖有二氧化硅的一面上；二氧化硅层的厚度为100nm；
2）采用微纳光纤技术转移氧化锌纳米线至石墨烯层上，使氧化锌纳米线与石墨烯形成异质结且氧化锌纳米线至少一端与衬底接触；
3）在石墨烯层上采用电子束蒸发法制备60nm厚的金电极；
4）在氧化锌纳米线与衬底接触的一端利用电子束蒸发法制备60纳米厚的金电极；获得石墨烯/氧化锌异质结发光二极管。
本例的石墨烯/氧化锌异质结发光二极管的伏安特性曲线见图3；其电致发光谱见图4，从图可知，本例制得的发光二极管在可见光波段发光效率高。
实施例2：
1）将抛光的碳化硅衬底片清洗干净并吹干，转移厚度为10个原子层的石墨烯至衬底一面上；
2）采用旋涂氧化锌纳米线分散液的方法将氧化锌纳米线转移至石墨烯层上，使氧化锌纳米线与石墨烯形成稳定接触；
3）在石墨烯层上直接涂覆铜浆电极并烘干；
4）在氧化锌纳米线与衬底接触的一端上涂覆铜浆电极并烘干，获得石墨烯/氧化锌异质结发光二极管。
实施例3：
1）将覆盖有100微米厚氮化硅的铜片清洗干净并吹干，转移5个原子层厚度的石墨烯至铜片覆盖有氮化硅的一面上；
2）采用微纳光纤技术将氧化锌纳米线转移到石墨烯层上，使氧化锌纳米线与石墨烯形成稳定接触且氧化锌纳米线至少一端与衬底接触；
3）在石墨烯层上采用磁控溅射法制备50nm厚的镍电极；
4）在氧化锌纳米线与衬底接触的一端利用磁控溅射法制备50纳米厚的镍电极；获得石墨烯/氧化锌异质结发光二极管。
实施例4：
1）将石英衬底清洗干净并吹干，转移双层石墨烯至石英衬底上；
2）采用微纳光纤技术将氧化锌纳米线转移到石墨烯层上，使氧化锌纳米线与石墨烯形成稳定接触且氧化锌纳米线至少一端与衬底接触；
3）在石墨烯层上利用打印的方法制作银电极；
4）在氧化锌纳米线与衬底接触的一端利用打印的方法制作银电极，获得石墨烯/氧化锌异质结发光二极管。
实施例5：
1）将覆盖有100纳米氮氧化硅的铝衬底清洗干净并吹干，转移双层石墨烯至铝衬底覆盖有氮氧化硅的一面上；
2）采用旋涂氧化锌纳米线分散液的方法将氧化锌纳米线转移至石墨烯层上，使氧化锌纳米线与石墨烯形成稳定接触；
3）在石墨烯层上印刷银电极；
4）在氧化锌纳米线与衬底接触的一端上印刷银电极，获得石墨烯/氧化锌异质结发光二极管。
实施例6：
1）将覆盖有0.4纳米氮化硼的锗衬底清洗干净并吹干，转移三层石墨烯至锗衬底覆盖有氮化硼的一面上；
2）采用微纳光纤技术将氧化锌纳米线转移到石墨烯层上，使氧化锌纳米线与石墨烯形成稳定接触且氧化锌纳米线至少一端与衬底接触；
3）在石墨烯层上利用热蒸发法制作银、钛复合电极；
4）在氧化锌纳米线与衬底接触的一端利用热蒸发的方法制作银、钛复合电极，获得石墨烯/氧化锌异质结发光二极管。
实施例7：
1）将覆盖有60纳米氧化铪的砷化镓衬底清洗干净并吹干，转移三层石墨烯至砷化镓衬底覆盖有氧化铪的一面上；
2）采用微纳光纤技术将氧化锌纳米线转移到石墨烯层上，使氧化锌纳米线与石墨烯形成稳定接触且氧化锌纳米线至少一端与衬底接触；
3）在石墨烯层上利用电子束蒸发法制作镍电极；
4）在氧化锌纳米线与衬底接触的一端利用电子束蒸发法制作镍电极，获得石墨烯/氧化锌异质结发光二极管。

Claims (6)

1.一种石墨烯-氧化锌异质结发光二极管，其特征在于自下而上依次有绝缘衬底（1），石墨烯层（2）及氧化锌纳米线（3），氧化锌纳米线（3）与石墨烯层（2）形成异质结且至少有一端与绝缘衬底（1）接触，所述的发光二极管还设有第一电极（4）与第二电极（5），第一电极（4）设置在石墨烯层（2）上，所述的第二电极（5）覆盖氧化锌纳米线（3）的一端，仅连接氧化锌纳米线（3）和绝缘衬底（1）。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/氧化锌异质结发光二极管，其特征在于所述的绝缘衬底（1）为绝缘固体或具有绝缘层的固态导体、半导体及绝缘体，所述的绝缘层为氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化钛或氮化硼，厚度为0.4纳米至100微米。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/氧化锌异质结发光二极管，其特征在于所述的石墨烯层（2）中石墨烯为1~10层。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/氧化锌异质结发光二极管，其特征在于所述的第一电极（4）与第二电极（5）均为金、铜、镍、银、钛、钯、铬和铂中的一种或几种的复合电极。
5.制备如权利要求1~4任一项所述的石墨烯/氧化锌异质结发光二极管的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）将石墨烯转移至洁净的绝缘衬底（1）上；
2）将氧化锌纳米线（3）转移至石墨烯层（2）上，并使其至少有一端与绝缘衬底（1）接触；
3）在石墨烯层（2）上制备第一电极（4）；
4）在氧化锌纳米线（3）与绝缘衬底（1）接触的一端制备第二电极（5）。
6.根据权利要求5所述的石墨烯/氧化锌异质结发光二极管的制备方法，其特征在于制备第一电极（4）和第二电极（5）采用的方法为电子束蒸发、磁控溅射、热蒸发、涂覆、印刷或者打印。
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