專利名稱：基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可見光發(fā)光二極管，特別是基于碳納米管材料的可見光發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種一維納米材料，具有很高的機械強度，極高的電子遷移率，很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，是極具希望的下一代微納器件的核心材料。半導(dǎo)體性的碳納米管是直接帶隙材料，可用于發(fā)光器件和光探測器件。但是基于純碳納米管制作光電器件存在兩個較大的問題。第一碳納米管是金屬性還是半導(dǎo)體性取決于具體每根管的螺旋結(jié)構(gòu)，直接合成的碳納米管樣品均是金屬性和半導(dǎo)體性管的混合物。而金屬性的碳納米管不能用來制作光電器件，這對基于碳納米管的微納器件的集成帶來極大的困難。第二 半導(dǎo)體性碳納
米管的帶隙較小，實驗上成功合成的碳納米管帶隙都處于紅外波段。無法應(yīng)用于制作可見光波段的器件。

發(fā)明內(nèi)容
針對純碳納米管應(yīng)用于發(fā)光器件存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可獲得極高的集成度的基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，以硼氮摻雜碳納米管為發(fā)光體，對其施加正向偏壓時，發(fā)光體在可見光波段發(fā)光；其中，硼氮摻雜碳納米管直接生長在絕緣襯底或者轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上，使用非對稱電極技術(shù)或者局域門電極技術(shù)在硼氮摻雜碳納米管上制作pn結(jié)。進一步，使用非對稱電極技術(shù)時，選用鈀鈧電極對或者鈀釔電極對，其中鈀電極與納米管之間形成P型接觸，鈧或者釔電極與納米管之間形成η型接觸。進一步，使用局域門電極技術(shù)時，源漏電極金屬選用鈦或者鋁，在源漏電極與納米管接觸區(qū)域的上方或者下方制作局域門電極。進一步，一個器件內(nèi)作為發(fā)光體的所述硼氮摻雜碳納米管是單根的、或者多根平行陣列、或者多根無序隨機導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。進一步，所述硼氮摻雜碳納米管是單壁納米管或者多壁納米管。進一步，兩電極之間的所述硼氮摻雜碳納米管長度在幾十納米到幾十微米之間任意調(diào)節(jié)。硼氮摻雜碳納米管純半導(dǎo)體性的特性解決了純碳納米管因為金屬性管和半導(dǎo)體性管混雜在一起而難于集成的困難，本發(fā)明實現(xiàn)了一種可高度集成的基于一維納米結(jié)構(gòu)的可見光波段的納米發(fā)光器件。


圖I為單根納米管發(fā)光二極管非對稱電極器件結(jié)構(gòu)示意 圖2為多根納米管平行陣列非對稱電極器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為納米管隨機導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)非對稱電極器件結(jié)構(gòu)示意 圖4為一個實際制作的硼氮共摻雜碳納米管的發(fā)光二極管光學(xué)顯微鏡照片；
圖5為圖4所示的硼氮共摻雜碳納米管發(fā)光二極管掃描電子顯微鏡照片；
圖6為圖4和圖5所示的硼氮共摻雜碳納米管發(fā)光二極管的電壓電流曲線；
圖7為圖4和圖5所示的硼氮共摻雜碳納米管發(fā)光二極管的發(fā)射光譜。
具體實施例方式下面，參考附圖，對本發(fā)明進行更全面的說明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達給本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。本發(fā)明基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，以硼氮摻雜碳納米管為發(fā)光體，對其施加正向偏壓時，發(fā)光體在可見光波段發(fā)光，硼氮摻雜碳納米管直徑可小到I納米，用這種一維納米材料制作發(fā)光二極管，可獲得極高的集成度，或應(yīng)用于片上微納尺度光電系統(tǒng)。基于硼氮共摻雜碳納米管的發(fā)光二極管制作的第一步是將納米管生長在絕緣襯底上(直接生長法)，或者將已合成的納米管樣品轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上(轉(zhuǎn)移法)。直徑生長法通常使用表面有二氧化硅層的單晶硅基片，在需要納米管的區(qū)域撒布催化劑，然后使用化學(xué)氣相沉積的方法在二氧化硅層上直接生長納米管陣列或者納米管隨機網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)移法是將生長在其他襯底的納米管利用納米材料轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移到器件制作襯底上，或者將納米管分散到易揮發(fā)溶液中，然后涂布到器件制作襯底上。納米管上需要制作pn結(jié)?？墒褂迷诩兲技{米管中已研究成熟的非對稱電極技術(shù)或者局域門電極技術(shù)。使用非對稱電極技術(shù)時，用電子束光刻技術(shù)或者光學(xué)光刻技術(shù)，分兩步制作金屬鈀電極與金屬鈧電極，或者金屬鈀電極與金屬釔電極。金屬鈀電極與納米管界面形成P型接觸，電壓加上時通過鈀電極向納米管注入空穴載流子。金屬鈧(或者金屬釔)與納米管界面形成η型接觸，電壓加上時向納米管注入電子載流子。這樣鈀電極與鈧電極(或者釔電極)在納米管上形成pn結(jié)。電壓為正偏壓時，兩個電極分別注入的空穴和電子在納米管上復(fù)合，產(chǎn)生可見光發(fā)光。在納米管上制作pn結(jié)的方法還可使用在純碳納米管納米器件中常用的局域門電極的方法。即首先在納米管上制作同樣材質(zhì)的源電極與漏電極，可用鈦金屬電極或者鋁金屬。然后用高介電系數(shù)的絕緣材料覆蓋納米管和金屬電極的接觸區(qū)域，隨后在此絕緣層上正對納米管和金屬電極接觸區(qū)域的地方制作兩個局域門電極。在局域門電極加正電壓時，此門電極下方的金屬電極向納米管注入空穴載流子；局域門電極加負電壓時，此門電極下方的金屬電極向納米管注入電子載流子。兩個局域門電極，一個加正電壓，一個加負電壓，實現(xiàn)空穴和電子的分別注入，達到在納米管上形成pn結(jié)的效果。根據(jù)器件尺寸要求和發(fā)光度的要求，在一個發(fā)光二極管器件中使用的硼氮摻雜碳納米管可以是單根的、或者多根平行陣列、或者多根無序隨機導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可以使用單壁納米管或者使用多壁納米管。納米管溝道的長度可以在幾十納米到幾十微米之間任意調(diào)節(jié)。
鈀電極鈧電極的非對稱電極器件結(jié)構(gòu)相比局域門電極器件結(jié)構(gòu)來說，制作工藝步驟較少，單個器件尺寸相對較小，可獲得更高的制作效率與器件集成度，為該硼氮共摻雜碳納米管的發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。 圖I為單根硼氮摻雜碳納米管發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)示意圖。納米管樣品4分散在絕緣襯底I上，使用標準微加工金屬電極制作工藝(包括光刻、金屬沉積、金屬剝離等工藝步驟)分別在單根納米管樣品兩端制作鈀電極2和鈧電極(或者釔電極)3。鈀電極2與納米管形成P型接觸，鈧電極(或者釔電極)3與納米管形成η型接觸。基于單根硼氮摻雜碳納米管的Pn結(jié)因此構(gòu)成，給此pn結(jié)加上正向偏壓納米管可發(fā)射可見光。如圖2所示，也可直接在絕緣襯底I上用化學(xué)氣相沉積方法生長平行納米管陣列5，在納米管陣列上制作鈀電極與鈧電極(或者乾電極)。一對鈕鈧(乾)電極之間連接有多根納米管?；蛘呷鐖D3所示，生長或者轉(zhuǎn)移納米管形成納米管導(dǎo)電隨機網(wǎng)絡(luò)6，在其上制作鈀鈧(釔)電極對。一個器件中參與導(dǎo)電的納米管越多，其器件工作電流也越大，發(fā)光強度也越大。圖4顯示了一個制成的硼氮共摻雜碳納米管的發(fā)光二極管光學(xué)顯微鏡照片，此器件使用鈀鈧非對稱電極技術(shù)。光學(xué)顯微鏡下鈧電極與鈀電極呈現(xiàn)不同的顏色。圖5顯示了圖4所示的發(fā)光二極管掃描電子顯微鏡照片?？梢钥吹解Z鈧電極對之間有平行納米管陣列導(dǎo)電通道。圖6為圖4和圖5所示的發(fā)光二極管的電壓電流曲線，器件表現(xiàn)出二極管典型的單向?qū)щ娦?。圖7為給該器件加上正向偏壓，并用光譜儀檢測該器件的發(fā)射光譜。圖中分別顯示了偏壓Vb=2V和偏壓Vb=5V時的發(fā)射光譜，偏壓越大，發(fā)光峰強度越大。
權(quán)利要求
1.基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，其特征在于，該可見光發(fā)光二極管以硼氮摻雜碳納米管為發(fā)光體，對其施加正向偏壓時，發(fā)光體在可見光波段發(fā)光；其中，硼氮摻雜碳納米管直接生長在絕緣襯底或者轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上，使用非對稱電極技術(shù)或者局域門電極技術(shù)在硼氮摻雜碳納米管上制作pn結(jié)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，其特征在于，使用非對稱電極技術(shù)時，選用鈀鈧電極對或者鈀釔電極對，其中鈀電極與納米管之間形成P型接觸，鈧或者釔電極與納米管之間形成η型接觸。
3.如權(quán)利要求I所述的基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，其特征在于，使用局域門電極技術(shù)時，源漏電極金屬選用鈦或者鋁，在源漏電極與納米管接觸區(qū)域的上方或者下方制作局域門電極。
4.如權(quán)利要求I所述的基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，其特征在于，一個器件內(nèi)作為發(fā)光體的所述硼氮摻雜碳納米管是單根的、或者多根平行陣列、或者多根無序隨機導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
5.如權(quán)利要求I所述的基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，其特征在于，所述硼氮摻雜碳納米管是單壁納米管或者多壁納米管。
6.如權(quán)利要求I所述的基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，其特征在于，兩電極之間的所述硼氮摻雜碳納米管長度在幾十納米到幾十微米之間任意調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硼碳氮納米管的可見光發(fā)光二極管，以硼氮摻雜碳納米管為發(fā)光體，對其施加正向偏壓時，發(fā)光體在可見光波段發(fā)光；其中，硼氮摻雜碳納米管直接生長在絕緣襯底或者轉(zhuǎn)移到絕緣襯底上，使用非對稱電極技術(shù)或者局域門電極技術(shù)在硼氮摻雜碳納米管上制作pn結(jié)。硼氮摻雜碳納米管純半導(dǎo)體性的特性解決了純碳納米管因為金屬性管和半導(dǎo)體性管混雜在一起而難于集成的困難，本發(fā)明實現(xiàn)了一種可高度集成的基于一維納米結(jié)構(gòu)的可見光波段的納米發(fā)光器件。
文檔編號H01L33/26GK102945905SQ20121049249
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者楊曉霞, 王文龍, 許智, 白雪冬 申請人:中國科學(xué)院物理研究所