Світловипромінювальний діод

Реферат: UA 84706 U UA 84706 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі оптоелектроніки, зокрема до світловипромінюючих пристроїв на основі напівпровідникових матеріалів, і може бути використаною при конструюванні високонадійних і ефективних джерел світла з ультрафіолетовим, видимим, у тому числі "білим", випромінюванням. Відомий світловипромінювальний діод на основі гомопереходу у ZnO [Liu W. Blue-Yellow ZnO Homostructural Light-Emitting Diode Realized by Metalorganic Chemical Vapor Deposition Technique / W. Liu, S. L. Gu, J. D. Ye [et al.] // Applied Physics Letters.-2006. - V. 88. - P. 092101-1092101-3], який складається із ZnO підкладки з n-типом електропровідності, тонкої плівки ZnO з n-типом електропровідності, тонкої плівки ZnO з p-типом електропровідності, алюмінієвого плівкового контактного електрода та індієвого плівкового контактного електрода. На нижню поверхню ZnO підкладки, з кристалографічною орієнтацією (0001) та з концентрацією 16 -3 електронів 5·10 см , наносять алюмінієвий плівковий контактний електрод, а на верхню плівку ZnO, товщиною 150 нм, з n-типом електропровідності та з концентрацією електронів 17 -3 8·10 см . Поверх плівки ZnO з n-типом електропровідності осаджують плівку ZnO товщиною 18 -3 300 нм з p-типом електропровідності леговану азотом та з концентрацією дірок 1·10 см . Поверх плівки ZnO з р-типом електропровідності наносять індієвий плівковий контактний електрод. При прикладанні різниці потенціалів 80 В при кімнатній температурі отримують широку смугу свічення з трьома максимумами на довжинах хвиль приблизно 372 нм, 435 нм та 520 нм. Недоліки: вартісне обладнання, яке використовують для отримання світловипромінювального діода, висока робоча напруга. Відомий світловипромінювальний діод на основі гомопереходу у ZnO [Ye Z.Z. ZnO LightEmitting Diodes Fabricated on Si Substrates with Homobuffer Layers / Z. Z. Ye, J. G. Lu, Y. Z. Zhang [et al.] // Applied Physics Letters.-2007. - V. 91. - P. 113503-1-113503-3], який складається з кремнієвої підкладки з n -типом електропровідності, тонкого буферного шару ZnO, тонкої плівки ZnO з n-типом електропровідності легованої алюмінієм, тонкої плівки ZnO з p-типом електропровідності легованої алюмінієм та азотом, контактного електрода, сформованого з послідовно осаджених плівок індію та олова і контактного електрода сформованого з послідовно осаджених плівок індію та золота. На кремнієву підкладку (100) з питомим опором 3 приблизно 10- Ом см осаджують буферний шар ZnO товщиною 100 нм з питомим опором 3 приблизно 10 Ом см. Поверх буферного шару ZnO осаджують плівку ZnO з n -типом 20 -3 електропровідності, леговану алюмінієм товщиною 400 нм з концентрацією електронів 10 см . Поверх плівки ZnO з n-типом електропровідності осаджують плівку ZnO товщиною 450 нм з р17 -3 типом електропровідності, леговану алюмінієм та азотом із концентрацією дірок 10 см , а також омічний контактний електрод, сформований з послідовно осаджених плівок індію та олова. Поверх плівки ZnO з р-типом електропровідності наносять омічний контактний електрод, сформований з послідовно осаджених плівок індію та золота. При прикладанні різниці потенціалів 4 В прикімнатній температурі отримують слабке жовто-зелене свічення. Недоліки: надзвичайно мала інтенсивність свічення світлодіода при кімнатній температурі, тому що внаслідок низької кристалічної якості плівок ZnO переважають безвипромінювальні переходи. Відомий світловипромінювальний діод на основі гомопереходу у ZnO [Sun J. C. Realization of Ultraviolet Electroluminescence from ZnO Homojunction with n-ZnO/p-ZnO:As/GaAs Structure / J. С Sun, J. Z. Zhao, H. W. Liang [et al.] // Applied Physics Letters.-2007. - V. 90. - P. 121128-1-121128-3], який складається з підкладки з арсеніду галію з p-типом електропровідності, тонкої плівки ZnO з р-типом електропровідності, легованої миш'яком, тонкої плівки ZnO з n-типом електропровідності та двох контактних електродів, сформованих з послідовно осаджених плівок золота і цинку. На нижню поверхню підкладки з арсеніду галію (100), товщиною 100 мкм, наносять омічний контактний електрод, сформований із послідовно осаджених плівок золота і цинку, товщиною 100 нм, а на верхню - осаджують плівку ZnO леговану миш'яком, товщиною 18 -3 400 нм, з p-типом електропровідності та з концентрацією дірок 1,45·10 см . Поверх плівки ZnO, легованої миш'яком з р-типом електропровідності, осаджують плівку ZnO товщиною 300 18 -3 нм з n-типом електропровідності із концентрацією електронів 5,83·10 см . Поверх плівки ZnO з n-типом електропровідності наносять омічний контактний електрод, сформований з послідовно осаджених плівок золота і цинку, товщиною 100 нм. При прикладанні до світлодіода сили струму 30 мА при прямому зміщенні, за кімнатної температури, отримують свічення в ультрафіолетовій та видимій областях довжин хвиль світла. Недоліки: вартісні вихідні матеріали та обладнання, які використовують для отримання світловипромінювального діода. 1 UA 84706 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомий світловипромінювальний діод на основі гомопереходу у ZnO [Tao P. Electroluminescence from ZnO Nanowires Homojunction LED Grown on Si Substrate by Simple Chemical Vapor Deposition / P. Tao, Q. Feng, J. Jiang [et al.] // Chemical Physics Letters.-2012. - V. 522. - P. 92-95], який складається з кремнієвої підкладки з n-типом електропровідності, ZnO нанодротів з n-типом електропровідності, ZnO нанодротів з p-типом електропровідності, алюмінієвого плівкового контактного електрода і прозорого провідного контактного електрода з -3 оксидів індію та олова. На нижню поверхню кремнієвої підкладки (111) з питомим опором 3·10 Ом см наносять алюмінієвий плівковий контактний електрод, а на верхній - вирощують ZnO нанодроти з n-типом електропровідності. На ZnO нанодротах з n-типом електропровідності вирощують ZnO нанодроти з р-типом електропровідності леговані фосфором. Поверх ZnO нанодротів з р-типом електропровідності розміщують прозорий провідний контактний електрод з оксидів індію та олова. При прикладанні до світлодіода сили струму 40 мА при прямому зміщенні, при кімнатній температурі, отримують свічення в ультрафіолетовій та видимій областях довжин хвиль світла. Недоліки: для отримання світловипромінювального діода використовують вартісне обладнання та надзвичайно чисті вихідні матеріали. Відомий світловипромінювальний діод на основі гомопереходу в ZnO [Yang Y. A p-n Homojunction ZnO Nanorod Light-Emitting Diode Formed by As Ion Implantation / Y. Yang, X. W. Sun, В. К. Тау [et al.] // Applied Physics Letters.-2008. - V. 93. - P. 253107-1-253107-3], який складається з кремнієвої підкладки з n-типом електропровідності, тонкого буферного шару ZnO з n-типом електропровідності, вертикально орієнтованих ZnO нанодротів з n-типом електропровідності, верхні кінці яких мають р-тип електропровідності через іонну імплантацію миш'яку, ізоляційного діелектричного шару полімеру-поліметилметакрилату та золотих плівкових контактних електродів. На нижню поверхню кремнієвої підкладки (111) з -17 -3 концентрацією електронів приблизно 10 см наносять золотий плівковий контактний електрод товщиною приблизно 300 нм, а на верхню - буферний шар оксиду цинку. На буферному шарі ZnO вирощують вертикально орієнтовані ZnO нанодроти діаметром від 100 нм до 400 нм, довжиною приблизно 5 мкм з n-типом електропровідності. За допомогою іонної імплантації миш'яку, у верхніх кінцях вертикально орієнтованих ZnO нанодротів отримують р-тип електропровідності. Поверх ZnO нанодротів наносять ізоляційний діелектричний шар полімеруполіметилметакрилату. Плазмовим кисневим травленням звільняють верхні кінці вертикально орієнтованих ZnO нанодротів з р-типом електропровідності від шару полімеру та наносять на них золотий плівковий контактний електрод товщиною приблизно 20 нм. При прикладанні до світлодіода сили струму 9,2 мА при прямому зміщенні, при кімнатній температурі, отримують свічення в ультрафіолетовій та видимій областях довжин хвиль світла з трьома максимумами на довжинах хвиль приблизно 380 нм, 630 нм та 760 нм. Недоліки: вартісні вихідні матеріали та обладнання, які використовують для отримання світловипромінювального діода. Найбільш близьким до пропонованої корисної моделі є світловипромінювальний діод на основі гомопереходу у ZnO [Hsu Y. F. Undoped p-Type ZnO Nanorods Synthesized by a Hydrothermal Method / Y. F. Hsu, Y. Y. Xi, K. H. Tam [et al.] // Adv. Funct. Mater.-2008. - V. 18. - P. 1020-1030]. Пристрій складається зі скляної підкладки, буферної плівки ZnO з n -типом електропровідності, шару зародків ZnO з р -типом електропровідності, ZnO нанодротів з р-типом електропровідності, ізоляційного діелектричного шару полімеру класу "Spin-on-Glass" (SOG), плівкового прозорого провідного контактного електрода з оксиду індію та олова (ІТО) і золотого плівкового контактного електрода. На скляну підкладку, покриту прозорою провідною плівкою з оксиду індію та олова (ІТО), з поверхневим опором 15 Ом/квадрат, яка відіграє роль нижнього контактного електрода, наносять електроосадженням плівку ZnO товщиною 0,5 мкм з n-типом електропровідності. Електроосадження плівки ZnO на електрод-провідну плівку з оксиду індію та олова здійснюють з водного розчину етанолу, взятого у співвідношенні 1:1, з додаванням 0,04 моль гідрату нітрату цинку і 0,015 моль гексаметилен тетраліну, використовуючи як інший електрод цинкову фольгу. Між електродами прикладають різницю потенціалів 0,8 В та здійснюють осадження плівки оксиду цинку протягом 1 хв. Після осушення на плівку ZnO з nтипом електропровідності осаджують шар зародків оксиду цинку з р-типом електропровідності, з 18 -3 концентрацією дірок 10 см . Для отримання шару зародківZnO з p-типом електропровідності, підкладку занурюють в розчин ацетату цинку в етанолі, потім промивають в етанолі і сушать під потоком газу аргону. Цей цикл повторюють шість разів для забезпечення повного покриття підкладки шаром зародків. Потім підкладку відпалюють протягом 20 хв. у муфельній горизонтальній електропічці, у потоці газу аргону, за швидкості потоку газу 0,1 л/хв., за температури 200 °C, для перетворення ацетату цинку в оксид цинку. Поверх шару зародків ZnO 2 UA 84706 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 з p-типом електропровідності вирощують, за 2,5 год., за температури 90 °C, нанодроти оксиду цинку зі середнім діаметром приблизно 100 нм та довжиною приблизно 1 мкм, з р-типом 17 -3 електропровідності та з концентрацією дірок 10 см , з водного розчину, що містить 75 ммоль гідрату нітрату цинку, 0,025 моль гексаметилен тетраміну і 0,1 г поліефіріміду. Після вирощування нанодротів підкладку протягом 5-10 сек. промивають дистильованою водою в ультразвуковій ванні і сушать на повітрі за температури 90 °C. Нанодроти ZnO з p-типом електропровідності покривають протягом 40 сек. ізоляційним діелектричним шаром COGполімеру методом центрифугування з частотою обертання 3000 об/хв. Після чого зразок протягом 1 хв відпалюють за температури 200 °C. Поверх ZnO нанодротів, покритих діелектричним шаром COG-полімеру, наносять золотий плівковий контактний електрод. При прикладанні до отриманого світлодіода прямого зміщення з різницею потенціалів 18,5В та зі силою струму 10 мА, при кімнатній температурі, отримують свічення в ультрафіолетовій та видимій областях довжин хвиль світла. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити світловипромінювальний діод шляхом використання нових конструктивних рішень для отримання нового гомопереходу у ZnO, що дасть змогу знизити витрати при виготовленні світловипромінювального діода та понизити його енергоспоживання. Поставлена задача вирішується тим, що у світловипромінювальному діоді, який містить підкладку з прозорим провідним плівковим електродом, частково покритим шаром зародків ZnO, нанодроти ZnO з p-типом електропровідності, вкриті діелектричним ізоляційним шаром, плівковий золотий контактний електрод, при цьому як шар зародків використовують ZnO з nтипом електропровідності, а як діелектричний ізоляційний матеріал -фоторезист. Заявлений світловипромінювальний діод і найближчий аналог мають суттєві спільні ознаки: для отримання свічення використовується гомоперехід у ZnO, однаковий матеріал контактних майданчиків. Технічний результат заявленого світловипромінювального діода обумовлений тим, що автори вперше використали для створення діода нанодроти ZnO з p-типом провідності, вирощені згідно із запатентованим способом [Патент на корисну модель № 78485 Україна, МПК C01G 9/00. Спосіб отримання наноструктурованого матеріалу ZnO з р-типом провідності. Г.О. Лубочкова, Б.І. Турко, О.П. Крегель, В.Б. Капустяник, І. Кітик, М. Пясецкі. - № u201208985 Заявл. 20.07.2012; Опубл. 25.03.2013, Бюл. № 6], що дало змогу знизити витрати при виготовленні світловипромінювального діода, спростити його конструкцію і понизити енергоспоживання. Як показують теоретичні розрахунки з перших принципів [Huang G.-Y. First-Principles Study of Extensive Dopants in Wurtzite ZnO / G.-Y. Huang, C-Y. Wang, J.-T. Wang // Physica B.-2010. - V. 405. - P. 158-160], акцепторними домішками в ZnO можуть бути елементи I-ї (Н, Li, Na, Ag та К) та V-ї груп (N, Р, As) періодичної системи елементів. Також причиною р-типу провідності в оксиді цинку може бути відхилення від стехіометрії. Акцепторні рівні у забороненій зоні ZnO формують, зокрема, такі власні дефекти кристалічної ґратки як вакансії цинку VZn та атоми кисню у міжвузлях Оі [Тат К. Н. Defects in ZnO Nanorods Prepared by a Hydrothermal Method / K. H. Тат, С. К. Cheung, Y. H. Leung [et al.] // J. Phys. Chem. B.-2006. - V. 110. - P. 20865-20871]. Як відомо з літературних джерел наночастинки ZnO можна нанести методом Silar (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) [Pathan H. M. Deposition of Metal Chalcogenide Thin Films by Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction (SILAR) Method / H. M. Pathan, CD. Lokhande // Bull. Mater. Sci.-2004. - V. 27. - P. 85-111]. У методі Silar почергово занурюють підкладку спочатку в ємність з водним еквімолярним (0,5 М) розчином ацетату цинку дигідрату Zn(CH3COO)2 2Н2О та гексаміну при кімнатній температурі, потім підкладку промивають у дистильованій воді для видалення зайвих частинок, після чого занурюють у дистильовану воду нагріту до температури близько 85-90 °C. Цикл повторюють 40-50 разів для отримання достатньо товстого шару зародків. Як відомо з літературних джерел [Ku C.-H. Aqueous Solution Rout to High-Aspect-Ratio Zinc Oxide Nanostructures on Indium Tin Oxide Substrates / Ku C.-H., Wu J.-J. // J. Phys. Chem. B.-2006. - V. 110. - P. 12981-12985], при цьому здійснюються такі реакції: +2 Zn(OAc)2→Zn +2(ОАс) (CH2)6N4+6Н2О→6НСНО+4NH3 + NH3+H2O↔NH4 +ОН2+ 2OH +Zn →Zn(OH)2→ZnO+H2O Перехід Zn(OH)2 до ZnO здійснюється за рахунок високої температури при другому зануренні. Оксид цинку має гексагональну кристалічну структуру. У кристалографічному напрямі [0001] 2+ 2(вісь с) спостерігається чергування площин, утворених з іонів Zn та іонів О , тоді як у напрямах, перпендикулярних до осі с, площини формуються рівною кількістю позитивних та 3 UA 84706 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 негативних іонів. Цим зумовлена тенденція росту ZnO уздовж осі с, викликана необхідністю мінімізації високої енергії системи внаслідок наявності полярної поверхні [Wang Z. Zinc Oxide Nanostructures: Growth, Properties and Applications / Z. Wang // J. Phys.: Condens. Matter.-2004. № 16. - P. R829-R858]. В результаті при отриманні ZnO наноструктур переважно отримуються наностержні або нанонитки. Як відомо з літературних джерел [GuptaI R. В. Improvement in the Luminous Efficiency of MEHPPV Based Light Emitting Diodes Using Zinc Oxide Nanorods Grown by the Electrochemical Deposition Technique on ITO Substrates / R. В. Gupta, J. Kumar, D. Madhwal // Phys. Scripta.-2011. - V. 84. -P. 015705 (брр)], механізм росту наностовбчиків ZnO при електрохімічному осадженні можна описати наступними реакціями: 2+ Zn(NO3)2→Zn +2NO3 , NO3 +H2O+2e →NO2 +2OH 2+ Zn +OH →Zn(OH)2, Zn(OH)-+ZnO+H2O. Для збільшення електропровідності при електрохімічному осадженні до розчину додають 0,1 М КС1. Гексамін додають для збільшення концентрації гідроксильних груп. Фіг. 1. Мікрофотографія нанодротів оксиду цинку з p-типом електропровідності, які входять до складу світловипромінювального діода. Фіг. 2. Схематичне зображення світловипромінювального діода, де 1 - скляна підкладка, 2 прозорий провідний плівковий електрод з оксиду індію та олова, 3 - нанодроти ZnO з р-типом електропровідності, 4 - плівковий золотий контактний електрод, 5 - діелектричний ізоляційний шар фоторезисту, 6 - шар зародків ZnO з n -типом електропровідності. Фіг. 3. Спектр електролюмінесценції світловипромінювального діода, отриманий за кімнатної температури при прикладанні прямого зміщення з різницею потенціалів 25 В та зі силою струму 2 мА. Світловипромінювальний діод на основі гомопереходу в ZnO складається з підкладки, наприклад скляної, з прозорим провідним плівковим електродом, наприклад з оксиду індію та олова, частково покритого шаром зародків ZnO з n-типом електропровідності, нанодротів ZnO з р-типом електропровідності, вкритих діелектричним ізоляційним шаром фоторезисту, та плівкового золотого контактного електрода. Як гомоперехід у ZnO використовують переходи носіїв заряду із шару зародків ZnO з n-типом електропровідності у нанодроти ZnO з р-типом електропровідності і навпаки. Виготовлення світловипромінювального діода можна проілюструвати наступним прикладом: На скляну підкладку з геометричними розмірами 25×25×1,1 мм, покриту прозорою провідною плівкою-електродом з оксиду індію та олова, фірми "Sigma-Aldrich" з поверхневим опором приблизно 10 Ом/квадрат, методом Silar осаджуємо шар зародків ZnO з n-типом електропровідності. Почергово занурюємо 2/3 підкладки спочатку в ємність з водним еквімолярним (0,5 М) розчином ацетату цинку дигідрату Zn(CH3COO)2·2Н2О та гексаміну при кімнатній температурі, потім підкладку промиваємо у дистильованій воді для видалення зайвих частинок, після чого занурюємо у дистильовану воду нагріту до температури близько 85-90 °C. Цикл повторюємо 40 разів для отримання достатньо товстого суцільного шару зародків. Після цього занурюємо 2/3 підкладки з шаром зародків в електрохімічну комірку з двома електродами, заповнену еквімолярним водневим розчином нітрату цинку гексагідрату та гексаміну з концентрацією 20 мМ, попередньо перемішаним упродовж півгодини і потім нагрітим до температури 70 °C. На підкладку прикладаємо напругу -0,9 В і витримуємо при таких умовах підкладку у комірці протягом однієї години. Після синтезу підкладку з наноструктурами промиваємо у дистильованій воді і сушимо на повітрі. В результаті отримуємо нанодроти оксиду цинку діаметром приблизно 100 нм та довжиною 1,5-2 мкм з p-типом електропровідності. Нанодроти ZnO з р-типом електропровідності покриваємо ізоляційним діелектричним шаром фоторезисту-спрею "Positiv 20" центрифугуванням з частотою обертання 300 об/хв. Розпилення фоторезисту-спрею здійснюємо з відстані 20 см протягом 2 хв. Після чого зразок протягом 20 хв. сушимо за температури 70 °C або упродовж 24 год. за температури 20 °C. Поверх ZnO нанодротів з р-типом електропровідності, покритих діелектричним шаром фоторезисту, наносимо за певним шаблоном термічним випаровуванням у вакуумі золотий плівковий контактний електрод, товщиною 50-200 нм. При прикладанні до отриманого світлодіода прямого зміщення з різницею потенціалів 28 В та зі силою струму 2 мА, при кімнатній температурі,отримуємо свічення у видимій області спектру довжин хвиль світла з максимумами на довжинах хвиль 460 та 560 нм. Спостерігати свічення можемо як через скляну підкладку, так і поблизу золотого плівкового контактного електрода. 60 4 UA 84706 U Таблиця Порівняльні властивості світловипромінювальних діодів на основі гомопереходу у ZnO Властивості Структура Структура гомопереходу Положення максимумів смуг свічення Енергоспоживання Найближчий аналог ІТО/n-ZnO плівка/p-ZnO шар зародків/p-ZnO нанодроти+SOG/Au плівка з n-типом провідності/шар зародків з/p-типом провідності Пропонований діод ІТО/n-ZnO шар зародків/p-ZnO нанодроти+фоторезист/Аu шар зародків з n-типом провідності/ нанодроти з p-типом провідності 600 нм 460 нм 560 нм 185 мВт 56 мВт Корисна модель забезпечує передбачуваний технічний результат - зниження витрат при виготовленні світловипромінювального діода на основі гомопереходу в ZnO та зменшення його енергоспоживання. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Світловипромінювальний діод, що містить підкладку з прозорим провідним плівковим електродом, частково покритим шаром зародків ZnO, нанодроти ZnO з p-типом електропровідності, вкриті діелектричним ізоляційним шаром, плівковий золотий контактний електрод, який відрізняється тим, що як шар зародків використовують ZnO з n-типом електропровідності, а як діелектричний ізоляційний матеріал - фоторезист. 5 UA 84706 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6