CN102456786B - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管，其包括依次叠置的基板、第一电极、缓冲层、发光层以及第二电极，其中，该第一电极由定义在该基板上的铝掺杂氧化锌薄膜所构成，该缓冲层为氧化锌纳米线阵列，该发光层由依次层迭的N型氮化镓纳米线阵列以及P型氮化镓纳米线阵列所构成，该第二电极包覆在该P型氮化镓纳米线阵列的端头，该发光二极管还包括有填充于该第一电极以及第二电极之间的绝缘体。本发明还涉及该发光二极管的制作方法。

Description

发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管及其制作方法，尤其涉及一种以玻璃或者金属为基板的发光二极管及其制作方法。

背景技术

由于氮化镓具有很宽的直接能隙范围，而且氮化镓的制程与硅技术兼容，容易形成异质结构，其能带结构为直接能隙型，被视为最适合发展蓝光组件的半导体材料，但其最大的问题在于磊晶生长困难。

一般氮化镓都是在蓝宝石或者碳化硅基底上生长，形成异质结构，以磊晶技术生长在蓝宝石基板上的氮化镓材料是属于六方晶型的晶体结构，蓝宝石基板亦为六方晶体，但两者的晶格常数大小并不相同，由此严重影响了其所制得的发光二极管的发光效率，并且使用蓝宝石基板价格昂贵，大大提高了发光二极管的制作成本。

发明内容

有鉴于此，提供一种能够解决上述问题的发光二极管及其制作方法实为必要。

一种发光二极管，其包括依次迭置的基板、第一电极、缓冲层、发光层以及第二电极，其中，该第一电极由定义在该基板上的铝掺杂氧化锌薄膜所构成，该缓冲层为氧化锌纳米线阵列，该发光层由依次层迭的N型氮化镓纳米线阵列以及P型氮化镓纳米线阵列所构成，该第二电极包覆在该P型氮化镓纳米线阵列的端头，该发光二极管还包括有一填充于该第一电极以及第二电极之间的绝缘体。

一种发光二极管的制作方法，其包括如下步骤：提供一基板；在该基板上制备铝掺杂氧化锌薄膜；对该铝掺杂氧化锌薄膜进行蚀刻以定义出第一电极；在该第一电极上生长氧化锌纳米线阵列；在该氧化锌纳米线阵列上生长氮化镓纳米线发光层；镀绝缘体层以覆盖该生长有该氧化锌纳米线阵列以及氮化镓纳米线发光层的基板，并使该氮化镓纳米线发光层的端头露出以定义出第二电极区域；在该第二电极区域制备第二电极。

与现有技术相比，本发明所提供的该发光二极管的结构及其制作方法，将传统的半导体层的P-N结以单晶纳米线的方式进行层迭生长，采用了多晶结构的铝掺杂氧化锌以及氧化锌纳米线作为氮化镓纳米线的生长基底，从而使得所制得的发光二极管的基板不受限于蓝宝石基板，使得本发明所提供的发光二极管的结构及其制作方法除了能够降低成本之外，还能够提供多样化的开发弹性。

附图说明

图1是本发明实施方式所提供的发光二极管的截面结构示意图。

图2至图8是本发明实施方式所提供的发光二极管在各制作过程中的结构示意图。

主要元件符号说明

发光二极管100

基板10

第一电极20

铝掺杂氧化锌薄膜21

缓冲层30

氮化镓纳米线发光层40

N型氮化镓纳米线阵列41

P型氮化镓纳米线阵列42

绝缘层50

第二电极60

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参见图1，本发明实施方式所提供的发光二极管100，其包括依次叠设的基板10、第一电极20、缓冲层30、氮化镓纳米线发光层40以及第二电极60。

其中，该第一电极20为铝掺杂氧化锌薄膜，该缓冲层30由氧化锌纳米线阵列形成，该氮化镓纳米线发光层40包括依次迭置的N型氮化镓纳米线阵列41以及P型氮化镓纳米线阵列42，该第二电极60包覆在该P型氮化镓纳米线阵列42的顶端。

该发光二极管100还包括一绝缘层50，该绝缘层50位于该第一电极20与该第二电极60之间对该氧化锌纳米线缓冲层30以及氮化镓纳米线发光层40进行填充。

在本发明中，该基板10的材料可以是玻璃基板或者金属基板，当然其还可以根据不同的设计需要而改变。

可以理解的，该氧化锌纳米线以及氮化镓纳米线可以是单晶纳米线也可以是多晶纳米线，优选的，该氧化锌纳米线以及氮化镓纳米线均为单晶纳米线。

本发明还提供了上述发光二极管100的制作方法，其包括如下步骤。

(1)请参阅图2，提供一基板10，采用射频溅镀法在该基板10上制备铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜21。

在本实施方式中，该基板10为金属基板。为了保证镀膜质量，在对该基板10进行镀膜前需要对该基板10进行清洗以去除附着于基板表面的污染物。

由于在本发明中，该铝掺杂氧化锌薄膜21系作为电极使用，所以需要保证该铝掺杂氧化锌薄膜21具有良好的电导率。

然而，根据铝掺杂氧化锌的反应基理，铝掺杂氧化锌的导电率会随着掺杂铝的含量的不同而变化，这是因为当铝对氧化锌进行掺杂时，一部分掺杂的铝原子会取代锌原子的晶格位置或者是占据氧化锌晶格中的间隙位置，提高了载子浓度，从而提高了导电率，但是由于铝原子在氧化锌晶格中为离子化散射中心，因此部分铝原子在占据氧化锌晶格中的间隙位置后会使得结晶变形，从而导致电子移动率下降而使导电率下降。目前的研究表明，当掺杂铝的含量为2％(重量百分比)时铝掺杂氧化锌具有较佳的电导率，因此，优选的，在本实施方式中，藉由控制射频溅镀的条件将该铝掺杂氧化锌薄膜21的掺杂铝含量大约控制在2％。

可以理解的，该铝掺杂氧化锌薄膜21还可以采用其它的制程制备，例如可以采用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、脉冲雷射沉积法(PLD)以及热分解法(spraypyrolysis)等制程来在该基板10上覆盖该铝掺杂氧化锌薄膜21。

为了确保该铝掺杂氧化锌薄膜21为多晶结构，还可以将镀有该铝掺杂氧化锌薄膜21的基板10送入高温炉在氧环境中进行退火处理，在本实施方式中，将该完成镀膜的基板10送入高温炉在氧环境中以300～500℃进行退火处理。当然，也可以不用对该基板10进行退火处理。

(2)如图3所示，蚀刻该铝掺杂氧化锌薄膜21以定义出该第一电极20。

在此步骤中，可以根据不同的设计需求来对电极的形状进行设计，在本实施方式中，采用黄光微影技术对该铝掺杂氧化锌薄膜21进行微影蚀刻以定义出该第一电极20。

可以理解的，本发明还可以采用其它的物理蚀刻或者化学蚀刻的方式对该铝掺杂氧化锌薄膜21进行蚀刻以定义该第一电极20。

(3)在该第一电极20上生长该氧化锌纳米线缓冲层30，如图4所示。

本实施方式中采用化学气相沉积法在该第一电极20上生长氧化锌纳米线阵列。化学气相沉积法制备氧化锌纳米线的过程及原理大致为：在钝气气氛中通入锌源，锌原子在该钝气气氛中沉积，接着通入氧气，此时富锌相的氧化锌形成，温度持续上升，金属锌以及富锌相氧化锌融成液相，经由自我催化的VLS(Self-catalyzedVLSprocess)机制析出氧化锌晶柱，然后在该氧化锌晶柱表面进行气相沉积以生长氧化锌纳米线，在这个过程中，藉由改变氧气流速藉以控制氧气浓度，最终目的是通过控制氧气浓度来控制氧化锌纳米柱的生长，尤其是纵向的生长。

由于本实施方式中，采用铝掺杂氧化锌薄膜21作为基底来生长氧化锌纳米线，而铝掺杂氧化锌薄膜的主体材料为氧化锌，其晶格常数与氧化锌纳米线的晶格常数相同，因此氧化锌纳米线会选择性的生长在该第一电极20上。

可以理解的，还可以采用其它的合成方法在该第一电极20上生长氧化锌纳米线，例如辅助模板生长、溶解基底合成、催化剂驱使分子束磊晶、有机金属气相磊晶法、有机金属化学气相沉积等氧化锌纳米线生长方法。

(4)在该氧化锌纳米线缓冲层30上沿着其纳米线的延伸方向接续生长氮化镓纳米线发光层40，如图5所示。

本实施方式中，亦采用化学气相沉积法制备该氮化镓纳米线发光层40。由于氮化镓的晶格常数与氧化锌的晶格常数非常接近，因此在化学气相沉积过程中，氮化镓纳米线能够选择性的在该氧化锌纳米线上接续生长。

由于通常氧化锌具有N型半导体的特征，因此，首先在该氧化锌纳米线缓冲层30上生长N型氮化镓纳米线阵列41，然后再转换沉积条件在该N型氮化镓纳米线阵列41上生长P型氮化镓纳米线阵列42，由此形成该氮化镓纳米线发光层40。

可以理解的，在本发明中，该氮化镓纳米线也可以采用其它的生长方式，例如电浆辅助化学气相沉积等方法。

(6)在该基板10上覆盖绝缘层50以填埋该氧化锌纳米线缓冲层30以及氮化镓纳米线发光层40，并且保持该P型氮化镓纳米线阵列42的端头露出以定义出第二电极区域。

在本实施方式中，该绝缘层50为二氧化硅层，如图6及图7所示，首先在该基板10上沉积二氧化硅以对生长在该基板10上的氧化锌纳米线缓冲层30以及氮化镓纳米线发光层40进行填埋覆盖至完全覆盖，然后在对该绝缘层50进行蚀刻以使得该P型氮化镓纳米线阵列42的端头露出，从而定义出该第二电极区域。

可以理解的，也可以控制二氧化硅的沉积以使得该绝缘层50对该P型氮化镓纳米线阵列42进行部分覆盖而使得该P型氮化镓纳米线阵列42的端头露出，从而省去对该绝缘层50进行蚀刻的步骤。

可以理解的，在本发明中该绝缘层50的材料并不限于二氧化硅。

(7)在该第二电极区域制备第二电极60，如图8所示。

在本实施方式中，该第二电极60为ITO电极，可以理解的，该第二电极60也可以是其它类型的电极，例如铝掺杂氧化锌电极等。当然，该第二电极60的制备方式可以采用包括化学沉积等方式在内的各种电极制作方式，只要能够确保在该第二电极区域内制备出有利于发光二极管使用的电极即可。

与现有技术相比，本发明所提供的该发光二极管的结构及其制作方法，将传统的半导体层的P-N结以单晶纳米线的方式进行层迭生长，采用了多晶结构的铝掺杂氧化锌以及氧化锌纳米线作为氮化镓纳米线的生长基底，从而使得所制得的发光二极管的基板不受限于蓝宝石基板，使得本发明所提供的发光二极管的结构及其制作方法除了能够降低成本的外，还能够提供多样化的开发弹性。

可以理解的是，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化等用于本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管，其包括依次叠置的基板、第一电极、缓冲层、发光层以及第二电极，其中，该第一电极由位于该基板上的铝掺杂氧化锌薄膜所构成，该缓冲层为氧化锌纳米线阵列，该发光层由依次层迭的N型氮化镓纳米线阵列以及P型氮化镓纳米线阵列所构成，该氧化锌纳米线的生长方向与该N型氮化镓纳米线及P型氮化镓纳米线的生长方向一致，该第二电极包覆在该P型氮化镓纳米线阵列的顶端，该发光二极管还包括一填充于该第一电极以及第二电极之间的绝缘体。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该基板为玻璃基板或者金属基板。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该第二电极为ITO电极。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该绝缘体为二氧化硅。

5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：该氧化锌纳米线为单晶纳米线。

6.一种发光二极管的制作方法，其包括如下步骤：

提供一基板；

在该基板上制备铝掺杂氧化锌薄膜；

蚀刻该铝掺杂氧化锌薄膜以形成第一电极；

在该第一电极上生长氧化锌纳米线阵列；

在该氧化锌纳米线阵列上生长氮化镓纳米线发光层；

镀绝缘体层以填埋覆盖该生长有该氧化锌纳米线阵列以及氮化镓纳米线发光层的基板，并使该氮化镓纳米线发光层的端头露出以定义出第二电极区域；

在该第二电极区域制备第二电极。

7.如权利要求6所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：该氮化镓发光层包括沿该氧化锌纳米线的延伸方向依次生长的N型氮化镓纳米线阵列以及P型氮化镓纳米线阵列。

8.如权利要求6所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：该基板为玻璃基板或者金属基板。

9.如权利要求6所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：该铝掺杂氧化锌薄膜采用射频溅镀法制成。

10.如权利要求6所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：该氧化锌纳米线阵列以及氮化镓系纳米线阵列均采用化学气相沉积法制成。