發光二極體及其製作方法
2023-07-11 12:36:11
專利名稱：發光二極體及其製作方法
技術領域：
本發明是關於一種發光二極體及其製作方法。
背景技術：
近年來光電產業發達，發光二極體(Light Emitting Diode，LED)由於具有體積小、能耗低、高亮度、壽命長及發光穩定等優點，已廣泛應用在顯示裝置及光讀寫裝置中。
在發光二極體的製作上，由於化合物半導體為直接能隙半導體(Direct Semiconductor)，具有較佳的發光效率，因此目前主要還是以化合物半導體為主。然，化合物半導體明顯比IV族半導體(C，Si，Ge)成本高出許多，因此業界都在研究如何利用IV族半導體製作發光二極體。IV族半導體為非直接能隙半導體(IndirectSemiconductor)，在發光理論上由於不易遵守動量守恆定律，因此發光效率不高，以矽(Si)或鍺(Ge)來說，其電子空穴複合(Electron-holeRecombination)所產生的光為紅外線且效率不佳。在IV族半導體可見光發光二極體製作上，目前已經成功的有發藍光的碳化矽(SiliconCarbon，SiC)薄膜發光二極體，其具有較高的能隙(Energy Bandgap，Eg)，其能隙大約為3eV。
請參閱圖1，是一種現有技術的發光二極體的結構示意圖。該發光二極體1包括一p型碳化矽(p-SiC)襯底11、一形成在該p型碳化矽襯底11上的n型碳化矽層12、一形成在該n型碳化矽層12上的n型氮化鋁層(n-AlN)13、一形成在該p型碳化矽襯底11底部的p型歐姆電極15、一形成在該n型氮化鋁層13上的n型歐姆電極16。
請參閱圖2，是圖1所示的發光二極體沒有施加偏壓時的能帶示意圖。該p型碳化矽襯底11的價帶131中存在多個空穴111，該n型碳化矽層12及該n型氮化鋁層13的導帶132中存在多個電子122，由於該p型碳化矽襯底11和該n型碳化矽層12的界面處存在能帶差異(Bandgap Offset)，該p型碳化矽襯底11的價帶131中多個空穴111無法向該n型碳化矽層12的價帶131遷移，同時，該n型碳化矽層12的導帶132中多個電子122也無法向該p型碳化矽襯底11的導帶132遷移，該多個空穴111和該多個電子122不會複合(Recombination)。
請參閱圖3，是圖1所示的發光二極體施加正向偏壓時的能帶示意圖。施加正向偏壓時，該p型碳化矽襯底11和該n型碳化矽層12的界面處存在的能帶差異減小。該p型碳化矽襯底11的價帶131中多個空穴111向該n型碳化矽層12的價帶131遷移，同時，該n型碳化矽層12的導帶132中多個電子122向該p型碳化矽襯底11的導帶132遷移。該n型碳化矽層12的導帶132中的電子122和進入該n型碳化矽層12的價帶131中的空穴111複合，同時發射出光子，所發射光子對應光波的波長由以下公式決定入＝1240/Eg(nm)式中入為光波波長，Eg為半導體材料的能隙。該n型碳化矽層12的能隙大約為3.0eV，該發光二極體所發射光波波長為470nm，即藍光。
但是，碳化矽為非直接能隙半導體(Indirect Semiconductor)，因此該發光二極體發光效率不高。同時，氮化鋁為III-V族化合物，成本較高。
發明內容為了克服現有技術中發光二極體發光效率不高和成本較高的問題，本發明提供一種高發光效率及低成本的發光二極體。
還有必要提供一種製作該發光二極體的方法。
一發光二極體，其包括一透明基板、一形成在該透明基板上的陽極電極、一形成在該陽極電極上的絕緣層一形成在該絕緣層上的陰極電極。該發光二極體進一步包括多個形成在該絕緣層中的碳化矽合金納米點。
一種製作發光二極體的方法包括以下步驟a.在一透明基板上形成一陽極電極，並形成該陽極電極圖案；b.在該陽極電極上形成一第一絕緣層；c.在該第一絕緣層上形成一層矽納米點；d.在該層矽納米點上形成一層碳化矽納米點；e.進行熱處理，使該矽納米點和該碳化矽納米點擴散成一層均勻混和的碳化矽合金納米點；f.在該層碳化矽合金納米點上形成一第二絕緣層；g.在該第二絕緣層上形成一陰極電極，並形成該陰極電極圖案。
和現有技術相比，本發明發光二極體的發光層為碳化矽合金納米點，其量子效應明顯，發光效率高。同時，該發光層材料為IV族半導體，成本較低。
圖1是一種現有技術的發光二極體的結構示意2是圖1所示的發光二極體沒有施加偏壓時的能帶示意圖。
圖3是圖1所示的發光二極體施加正向偏壓時的能帶示意圖。
圖4是本發明發光二極體的結構示意圖。
圖5是圖4所示的發光二極體的能帶示意圖。
圖6是本發明發光二極體製作方法中在第一絕緣層上形成一層矽納米點及在該層矽納米點上形成一層碳化矽納米點的示意圖。
具體實施方式請參閱圖4，是本發明發光二極體的結構示意圖。該發光二極體2包括一透明基板21、一形成在該透明基板21上的陽極電極22、一形成在該陽極電極22上的絕緣層23、多個形成在該絕緣層23中的碳化矽合金納米點24、一形成在該絕緣層23上的陰極電極25。其中，該絕緣層23分為一第一絕緣層23a和一第二絕緣層23b，該多個碳化矽合金納米點24位於該第一絕緣層23a和該第二絕緣層23b的界面處並呈層狀分布。該透明基板21為玻璃或樹脂。該陽極電極22為氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)或氧化銦鋅(Indium ZincOxide，IZO)。該絕緣層23為氮化矽，其厚度為60nm至150nm。該碳化矽合金納米點24為矽納米點和氮化矽納米點混合而成，其直徑為5nm至50nm。該陰極電極25為氟化鋰和鋁的合金、鋇、鈣和鋁的合金等。
請參閱圖5，是圖4所示的發光二極體的能帶示意圖。該碳化矽合金納米點24的導帶26中存在多個電子260，其價帶27中存在多個空穴270。該發光二極體2沒有加載偏壓時，由於碳化矽屬於非直接能隙半導體，其導帶中的電子和價帶中的空穴不易遵守動量守恆定律，因此該多個電子260和該多個空穴270不易複合，又該多個電子260和該多個空穴270的數量很小，因此兩者很難複合。施加正向偏壓時，在外界電場的作用下，該陽極電極22的價帶27中的空穴270向該第一絕緣層23a的價帶27中遷移並進入該碳化矽合金納米點24的價帶27中，同時，該陰極電極25的導帶26中的電子260向該第二絕緣層23b的導帶26中遷移並進入該碳化矽合金納米點24的導帶26中。該第一、第二絕緣層23a、23b和該碳化矽合金納米點24的能帶差異(Bandgap Offset)較大，進入該碳化矽合金納米點24的價帶27和導帶26中的多個空穴270和多個電子260會被限制在該碳化矽合金納米點24中。當物質尺度由兩維(2D)量子井(Quantum Well)微縮成一維(1D)量子線(Quantum Wire)或零維(0D)量子點(Quantum Dot)時，量子效應便會顯現出來。由量子局限效應可知，該多個空穴270和多個電子260在三維方向上的運動都受到限制。由測不準原理可知，當該多個空穴270和多個電子260尺度的變異量越小時，其動量的不準度就會越大，其遵守動量守恆定律的機率也會越大，該多個空穴270和多個電子260複合的機率也會越大，發光效率因此得到提高。所發射光子對應光波的波長仍由以下公式決定入＝1240/Eg(nm)由上式可知，當能隙改變時，所發射光波的波長也相應改變。調變該碳化矽合金納米點24中碳、矽成份比可改變該碳化矽合金奈米點24的能隙大小，從而使其發出不同波長的光波。
該發光二極體2的製作方法包括以下步驟a.在一透明基板上形成一陽極電極，並形成該陽極電極圖案；b.在該陽極電極上形成一第一絕緣層；c.在該第一絕緣層上形成一層矽納米點；d.在該層矽納米點上形成一層碳化矽納米點；e.進行熱處理，使該矽納米點和該碳化矽納米點擴散成均勻混和的一層碳化矽合金納米點；f.在該層碳化矽合金納米點上形成一第二絕緣層；
g.在該第二絕緣層上形成一陰極電極，並形成該陰極電極圖案。
步驟a，採用物理氣相沉積(Physics Vapor Deposition，PVD)法在一透明基板21上沉積一陽極電極22，並形成該陽極電極22圖案。該沉積的陽極電極22具有較高的功函數(Work Function)，例如氧化銦錫或氧化銦鋅等。
步驟b，採用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法在該陽極電極22上沉積一第一絕緣層23a。反應物為SiH4氣體和NH3氣體，生成物為Si3N4蒸汽，該Si3N4蒸汽沉積在該陽極電極22上形成一Si3N4層，控制該Si3N4層的沉積時間使其厚度在10nm至50nm之間，該Si3N4層具有小於6eV的能隙。
步驟c，請參閱圖6，圖6是本發明發光二極體製作方法中在第一絕緣層上形成一層矽納米點及在該層矽納米點上形成一層碳化矽納米點的示意圖。採用化學氣相沉積法在該第一絕緣層23a上沉積一層矽納米點24a，反應物為矽的化合物，例如SiH4氣體等，生成物為矽蒸汽，該矽蒸汽沉積在該第一絕緣層23a上並形成一層矽納米點24a，該矽納米點24a的幾何大小可以通過控制矽納米點24a的沉積時間來實現。該矽納米點24a的沉積時間必須控制在矽納米點孵化時間(Incubation Time)和矽薄膜層形成時間之間。其中，矽納米點孵化時間是指化學氣相沉積過程中，矽納米點恰好在絕緣層上出現所用時間，矽薄膜層形成時間是指在該第一絕緣層上矽納米點稠密的程度達到成為矽薄膜層所用時間。適當控制該矽納米點24a的沉積時間使其直徑在5nm至20nm之間。
步驟d，採用化學氣相沉積法在該矽納米點24a上沉積一層碳化矽納米點24b。反應物為矽的化合物和碳的化合物，例如SiH4和CH4氣體等，該反應必須在較高真空度下進行，生成物為碳化矽蒸汽。該碳化矽蒸汽同時沉積在該矽納米點24a層及該第一絕緣層23a上，由於在矽材料上形成碳化矽納米點的孵化時間小於在氮化矽材料上形成碳化矽納米點的孵化時間，因此，該碳化矽納米點24b首先在矽納米點24a上出現。該碳化矽納米點24b的幾何大小可通過控制該碳化矽納米點24b的沉積時間實現。適當控制碳化矽納米點24b的沉積時間，使其僅在矽納米點24a上形成，並使其直徑在5nm至20nm之間。
步驟e，進行熱處理，例如在高真空度下或惰性氣體環境中加熱至500℃並維持一段時間，在納米尺度下，矽納米點24a和碳化矽納米點24b的表面能(Surface Energy)會趨於最小，故該矽納米點24a和該碳化矽納米點24b會擴散成均勻混和的碳化矽合金納米點24。其中該碳化矽合金納米點24的碳、矽成份比可以通過在步驟d中通過控制反應物中矽的化合物和碳的化合物的比例來控制。
步驟f，採用化學氣相沉積法在該碳化矽合金納米點24上沉積一第二絕緣層23b，該第二絕緣層23b和該第一絕緣層23a為同一種材料且成份相同，其厚度為50nm至100nm，其具有小於6eV的能隙。
步驟g，採用物理氣相沉積法在該第二絕緣層23b上沉積一陰極電極25，並形成該陰極電極圖案，其中該陰極電極25具有較低的功函數，例如Ba、LiF和Al合金、Ca和Al合金等。
在上述製作發光二極體的方法中，步驟e可在步驟f之後進行。
在上述製作發光二極體的方法中，重複實施步驟c、d、e、f，可製得具有多層碳化矽合金納米點的發光二極體。
在上述製作發光二極體的方法中，在步驟c、d中控制矽納米點及碳化矽納米點大小，可製得紫外線發光二極體。
在上述製作發光二極體的方法中，在步驟d中控制反應物中矽的化合物和碳的化合物的比例來控制碳化矽合金納米點的碳、矽成份比，使製得的發光二極體發出的光紅移(即發出可見光的波長向長波方向偏移)或藍移(即發出可見光的波長向短波方向偏移)。當碳化矽合金納米點的矽成份多於碳成份時，發光二極體發出的光紅移，當碳化矽合金納米點的碳成份多於矽成份時，發光二極體發出的光藍移。
本發明發光二極體2的發光層為碳化矽合金納米點24，其量子效應明顯，發光效率高。同時，該發光層材料為IV族半導體，成本較低。
權利要求
1.一發光二極體，其包括一透明基板；一形成在該透明基板上的陽極電極；一形成在該陽極電極上的絕緣層；一形成在該絕緣層上的陰極電極；其特徵在於其進一步包括多個形成在該絕緣層中的碳化矽合金納米點。
2.如權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於該碳化矽合金納米點為矽納米點和碳化矽納米點混合而成。
3.如權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於該絕緣層為氮化矽；該透明基板為玻璃或樹脂；該陽極電極為氧化銦錫或氧化銦鋅；該陰極電極為氟化鋰和鋁的合金、鋇、鈣和鋁的合金之一。
4.如權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於該碳化矽合金納米點的直徑為5nm至50nm，該絕緣層的厚度為60nm至150nm。
5.一種製作發光二極體的方法，其包括以下步驟a.在一透明基板上形成一陽極電極，並形成該陽極電極圖案；b.在該陽極電極上形成一第一絕緣層；c.在該第一絕緣層上形成一層矽納米點；d.在該層矽納米點上形成一層碳化矽納米點；e.進行熱處理，使該矽納米點和該碳化矽納米點擴散成均勻混和的一層碳化矽合金納米點；f.在該層碳化矽合金納米點上形成一第二絕緣層；g.在該第二絕緣層上形成一陰極電極，並形成該陰極電極圖案。
6.如權利要求5所述的製作發光二極體的方法，其特徵在於步驟e可在步驟f之後進行。
7.如權利要求5所述的製作發光二極體的方法，其特徵在於重複實施步驟c、d、e、f，可製得具有多層碳化矽合金納米點的發光二極體。
8.如權利要求5所述的製作發光二極體的方法，其特徵在於在步驟d中控制碳、矽成份比，當矽成份多於碳成份時，發光二極體發出的光紅移，當碳成份多於矽成份時，發光二極體發出的光藍移。
9.如權利要求5所述的製作發光二極體的方法，其特徵在於步驟e，在高真空度下或惰性氣體環境中加熱至500℃並維持一段時間，該矽納米點和該碳化矽納米點擴散成均勻混和的碳化矽合金納米點。
全文摘要
一種發光二極體，其包括一透明基板、一形成在該透明基板上的陽極電極、一形成在該陽極電極上的絕緣層、一形成在該絕緣層上的陰極電極。該發光二極體進一步包括多個形成在該絕緣層中的碳化矽合金納米點。本發明還提供一種製作該發光二極體的方法。
文檔編號H01L33/00GK1988186SQ200510121040
公開日2007年6月27日 申請日期2005年12月21日 優先權日2005年12月21日
發明者顏碩廷 申請人:群康科技(深圳)有限公司, 群創光電股份有限公司