RU2671236C1

RU2671236C1 - Transparent conductive oxide

Info

Publication number: RU2671236C1
Application number: RU2017146493A
Authority: RU
Inventors: Татьяна Геннадьевна Ляшенко; Елена Валерьевна Ширшнева-Ващенко; Владислав Евгеньевич Бугров; Алексей Евгеньевич Романов; Павел Сергеевич Ширшнев
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2018-10-30

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to coating compositions of semiconductor materials and solves the problem of amplifying the electroluminescence of semiconductors at a wavelength of 450 nm. Transparent conductive oxide contains a zinc oxide layer with a maximum thickness of 200 nm doped with aluminum ions in a concentration of 1 to 3 mol percent and layers of silver nanoparticles 30–40 nm in size and a maximum concentration of 1.25⋅10¹⁶ per cm³.

EFFECT: invention provides amplification of the electroluminescence of semiconductors emitting at a wavelength of 450 nm.

1 cl

Description

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности, к составам покрытий полупроводниковых материалов, усиливающихThe invention relates to optoelectronics, in particular, to compositions of coatings of semiconductor materials, reinforcing

электролюминесценцию, на базе которых могут быть созданы мощные излучающие светодиоды диапазона 450 нм. На данный момент известно, что при электролюминесценции полупроводников возможно усиление интенсивности люминесценции при нахождении рядом с полупроводником (расстояние до 200 нм) металлических наноструктур с частотой плазмонного резонанса, совпадающей с частотой излучения гетероперехода полупроводника. Также известно, что оксид цинка является уникальным материалом в качестве покрытий для светодиодов: это теплопроводящий и электропроводящий материал, обладает высоким показателем преломления, то есть способен рассеивать проходящее через него оптическое излучение на очень широкие углы, что важно при его использовании в светодиодах осветительной техники.electroluminescence, on the basis of which powerful emitting LEDs of the 450 nm range can be created. At the moment, it is known that during electroluminescence of semiconductors, it is possible to increase the luminescence intensity when metal nanostructures are located next to the semiconductor (distance up to 200 nm) with a plasmon resonance frequency that coincides with the radiation frequency of the semiconductor heterojunction. It is also known that zinc oxide is a unique material as a coating for LEDs: it is a heat-conducting and electrically conductive material, has a high refractive index, that is, it is able to scatter the optical radiation passing through it at very wide angles, which is important when it is used in LEDs of lighting technology.

Известно вещество покрытия для светодиодов, патент №US 2005/0285128 А1, опубликован 29 декабря 2005 года, состоящее из металлического слоя толщиной в нанометры, позволяющее усиливать электролюминесценцию. Недостатком аналога является максимум усиления на 470 нм, а не 450 (длина волны излучения стандартного светодиода для ламп освещения) без возможности регулировки максимума длины волны усиления, а также отсутствие возможности плавной регулировки коэффициента усиления, так как есть только один варьируемый параметр покрытия - это его толщина.Known coating material for LEDs, patent No. US 2005/0285128 A1, published December 29, 2005, consisting of a metal layer with a thickness of nanometers, allowing to enhance electroluminescence. The disadvantage of the analogue is the maximum gain at 470 nm, and not 450 (the wavelength of the radiation of a standard LED for light bulbs) without the possibility of adjusting the maximum wavelength of the gain, as well as the lack of the possibility of smooth adjustment of the gain, since there is only one variable coating parameter - this is its thickness.

Известно вещество покрытия из полиметилметакрилата (пмма) для светодиодов диапазона 400-1200 нм, патент РФ 172493 U1, опубликован 11 июля 2017 года, с наночастицами серебра для усиления электролюминесценции в 3-4 раза. Недостатком аналога является низкая температура размягчения пмма 160°С и температура воспламенения 260°С, что делает его малоприменимым при использовании в мощных светодиодах. Недостатком аналога является низкий показатель преломления покрытия -1.49, что затрудняет выход света из полупроводниковых структур вследствие появления эффекта полного внутреннего отражения и понижает угол рассеяния света. Также недостатком аналога является низкая теплопроводность и низкая проводимость, что делает невозможным его использования в качестве проводящего прозрачного электрода.A coating substance of polymethyl methacrylate (PMMA) is known for LEDs in the range 400-1200 nm, RF patent 172493 U1, published July 11, 2017, with silver nanoparticles to enhance electroluminescence by 3-4 times. The disadvantage of the analogue is the low softening temperature of PMMA 160 ° C and the ignition temperature of 260 ° C, which makes it of little use when used in high-power LEDs. The disadvantage of the analogue is the low refractive index of the coating -1.49, which complicates the exit of light from semiconductor structures due to the appearance of the effect of total internal reflection and lowers the angle of light scattering. Another disadvantage of the analogue is its low thermal conductivity and low conductivity, which makes it impossible to use it as a transparent transparent electrode.

Известно покрытие, взятое в качестве прототипа (патент №US 2010/0203454 А1, опубликован 12 августа 2010 года), состоящее из слоя прозрачного полупроводникового оксида (в том числе и ZnO) и наночастиц (в том числе и наночастиц серебра) для повышения проводимости и управления оптическими свойствами. Недостатком прототипа является отсутствие эффекта усиления электролюминесценции гетероструктур на длине волны 450 нм.Known coating, taken as a prototype (patent No. US 2010/0203454 A1, published August 12, 2010), consisting of a layer of transparent semiconductor oxide (including ZnO) and nanoparticles (including silver nanoparticles) to increase conductivity and optical property management. The disadvantage of the prototype is the lack of amplification effect of electroluminescence of heterostructures at a wavelength of 450 nm.

Изобретение решает задачу усиления электролюминесценции полупроводников на длине волны 450 нм. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении интенсивности излучения светодиодов с предложенным покрытием. Предложенный состав вещества и его структура обеспечивают усиление электролюминесценции полупроводников, излучающих на длине волны 450 нм. Данный технический результат достигается тем, что прозрачный проводящий оксид, содержащий слой оксида цинка и слои наночастиц серебра, отличается тем, что оксид цинка легирован ионами алюминия в концентрации от 1 до 3 молярных процентов, наночастицы серебра имеют размеры 30-40 нм и максимальную концентрацию 1,25 10¹⁶/см³, а максимальная толщина слоя ZnO составляет 200 нм.The invention solves the problem of enhancing the electroluminescence of semiconductors at a wavelength of 450 nm. The problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the radiation intensity of the LEDs with the proposed coating. The proposed composition of the substance and its structure provide enhanced electroluminescence of semiconductors emitting at a wavelength of 450 nm. This technical result is achieved in that a transparent conductive oxide containing a layer of zinc oxide and layers of silver nanoparticles is characterized in that zinc oxide is doped with aluminum ions in a concentration of from 1 to 3 molar percent, silver nanoparticles are 30-40 nm in size and have a maximum concentration of 1 , 25 10 ¹⁶ / cm ³ and the maximum thickness of the ZnO layer is 200 nm.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.The essence of the invention is illustrated as follows.

В основе изобретения лежит усиление наночастицами серебра электролюминесценции полупроводников, излучающих на длине волны 450 нм. Данный тип светодиодов используется в лампах белого светодиодного освещения в качестве основного источника излучения.The invention is based on the amplification by silver nanoparticles of the electroluminescence of semiconductors emitting at a wavelength of 450 nm. This type of LED is used in white LED lamps as the main source of radiation.

При расстоянии менее 200 нм металлических наночастиц серебра от излучающих полупроводников за счет эффекта плазмонного усиления уменьшается время рекомбинации электронов и дырок, что ведет в свою очередь к повышению интенсивности люминесценции, так как увеличивается количество носителей, попадающих за единицу времени в зону проводимости и переходящих обратно в валентную зону полупроводника за счет излучательного перехода.At a distance of less than 200 nm of metallic silver silver nanoparticles from emitting semiconductors, due to the plasmon amplification effect, the recombination time of electrons and holes decreases, which in turn leads to an increase in the luminescence intensity, since the number of carriers entering the conduction band and passing back to semiconductor valence band due to radiative transition.

В изобретении применен оксид цинка, легированный ионами алюминия. Согласно проведенным экспериментам, при вводе ионов алюминия от 1 до 3 молярных процентов показатель преломления составляет 2,12. Это значение превышает показатель преломления оксида цинка в аналоге (1,96), а значит лучше рассеивает свет, что является улучшением характеристик светодиода, в котором такие вещества применяются.The invention uses zinc oxide doped with aluminum ions. According to experiments, when introducing aluminum ions from 1 to 3 molar percent, the refractive index is 2.12. This value exceeds the refractive index of zinc oxide in the analogue (1.96), and therefore better diffuses light, which is an improvement in the characteristics of the LED in which such substances are used.

В изобретении используются слой оксида цинка, легированного ионами алюминия, и слои наночастиц серебра. Получено экспериментальное усиление электролюминесценции светодиода, излучающего на длине волны 450 нм с покрытием из патентуемого вещества в 5 раз по сравнению со светодиодом, излучающим на длине волны 450 нм, без патентуемого покрытия.The invention uses a layer of zinc oxide doped with aluminum ions and layers of silver nanoparticles. An experimental enhancement of the electroluminescence of an LED emitting at a wavelength of 450 nm with a coating of a patented substance by 5 times was obtained in comparison with an LED emitting at a wavelength of 450 nm without a patentable coating.

Таким образом, изобретение обеспечивает решение задачи по усилению электролюминесценции светодиода на длине волны 450 нм, регулировке усиления и эффективному рассеянию этого излучения в окружающую среду.Thus, the invention provides a solution to the problem of enhancing the electroluminescence of the LED at a wavelength of 450 nm, adjusting the gain and efficiently scattering this radiation into the environment.

Claims

Прозрачный проводящий оксид, содержащий слой оксида цинка и слои наночастиц серебра, отличающийся тем, что оксид цинка легирован ионами алюминия в концентрации от 1 до 3 молярных процентов, наночастицы серебра имеют размеры 30-40 нм и максимальную концентрацию 1,25⋅10¹⁶ на см³, а максимальная толщина слоя ZnO составляет 200 нм.A transparent conductive oxide containing a layer of zinc oxide and layers of silver nanoparticles, characterized in that zinc oxide is doped with aluminum ions in a concentration of from 1 to 3 molar percent, silver nanoparticles are 30-40 nm in size and a maximum concentration of 1.25⋅10 ¹⁶ per cm ³ , and the maximum thickness of the ZnO layer is 200 nm.