Bezeichnung

Array aus vertikalen UV-Leuchtemitterdioden und Verfahren zu seiner Herstellung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Array aus vertikalen UV-Leuchtemitterdioden und Verfahren zu seiner Herstellung.

Dem Stand der Technik nach basieren bisher alle vertikalen UV- Leuchtemitterdioden in Form von Nanodrähten und angeordnet in einem Array auf frei stehenden Nanodrähten.

So ist beispielsweise in Appl. Phys. Lett., Vol. 85, No. 24, pp.6004-6006, 13 December 2004 und in NANOLETTERS, 2005, Vol. 5, No. 10, pp. 2005- 2008 ein Array mit Leuchtemitterdioden beschrieben, die als ZnO/Polymer- Heteroübergang in auf einem Substrat frei stehenden Nanodrähten erzeugt und anschließend in eine Polymerschicht eingebettet wurden. Die Heteroübergänge weisen herstellungsbedingt eine zusätzliche intrinsiche Schicht auf.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist in US 2005/0224790 A1 mit einem Licht emittierenden Bauelement beschrieben, bei dem eine Vielzahl von frei stehend erzeugten und in einer isolierenden Matrix eingebetteten Nanodrähten auf einem Substrat angeordnet sind und in jedem der Nanodrähte ein pn-übergang als Licht emittierende Struktur ausgebildet ist.

Zwar ist bei dieser Lösung die Anordnung einer intrinsichen Schicht zwischen der p-leitenden Schicht und der n-leitenden Schicht des pn-übergangs nicht

mehr notwendig, jedoch ist auch dieses Leuchtemitterdioden-Array nicht flexibel.

Allen bisher beschriebenen bekannten Lösungen ist weiterhin gemeinsam, dass durch das notwendige freie Aufwachsen der Nanodrähte auf ein Substrat und/oder ihrer Dotierung die Parameter der einzelnen Leuchtemitterdioden sehr schwanken.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein flexibles Array aus UV- Leuchtemitterdioden anzugeben, bei dem die als pn-übergang einer Leuchtemitterdiode strukturierten Nanodrähte sehr ähnliche Parameter aufweisen. Auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen flexiblen Leuchtemitterdioden-Arrays soll angegeben werden.

Die Aufgabe wird durch ein Array aus vertikalen Leuchtemitterdioden der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die organische Schicht eine flexible Polymerfolie ist, das Array ohne Substrat flexibel und der pn- übergang ohne isolierende Zwischenschicht aus zwei organischen Halbleitermaterialien oder einem organischen und einem anorganischen Halbleitermaterial gebildet ist und die Nanodrähte durch Auffüllen von in die flexible Polymerfolie eingebrachten Kanälen mit diesen Halbleitermaterialien erzeugbar sind.

Die selbst tragenden Polymerfolien, in die zunächst Kanäle eingebracht und dann mit Halbleitermaterial aufgefüllt werden, bilden die Grundlage für das erfindungsgemäße flexible Array aus einer Vielzahl von UV- Leuchtemitterdioden, wobei jede dieser LED unabhängig von den anderen arbeitet. Da die Kanäle, die mit Halbleitermaterial ^' aufgefüllt werden und die Nanodrähte bilden, mit einem Verfahren bei konstanten Verfahrensparametern hergestellt werden, sind auch die Parameter der einzelnen LED sehr ähnlich und weisen geringere Abweichungen zueinander auf als in Arrays, die von frei stehenden Nanodrähten gebildet werden.

In erfindungsgemäßen Ausführungen ist vorgesehen, dass das organische Halbleitermaterial für den n-Typ ZnO oder GaN und für den p-Typ dotiertes ZnO oder CuSCN oder dotiertes GaN oder ein organisches Material ist. In Abhängigkeit der Dicke der verwendeten Polymerfolie kann die Dicke des n- bzw. p-Typ Halbleitermaterials in den Kanälen zwischen einigen 100 nm und einigen 100 μm liegen.

In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass der den pn-übergang aufweisende Kanal einen Durchmesser von ca. 40 nm bis ca. 400 nm und die flexible Polymerfolie mit den den pn-übergang aufweisenden Kanälen eine Dicke von ca. 1 μm bis ca. 25 μm aufweist.

Je nach Anwendungsgebiet sind die in die flexible Polymerfolie eingebrachten Kanäle zylindrisch oder konisch ausgebildet.

Zur besseren Führung des emittierten Lichtes zur Kathode und damit zur Verbesserung der Effizienz der einzelnen Leuchtemitterdioden ist zwischen der Wandung der in die flexible Polymerfolie eingebrachten Kanäle und dem aus Halbleitermaterial erzeugten Nanodraht eine sehr dünne Licht leitende Schicht aus einem organischen oder anorganischen Material in einer Dicke von einigen nm bis einige 10 nm angeordnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Arrays aus vertikalen Leuchtemitterdioden werden zunächst in eine flexible isolierende Polymerfolie durchgehende Kanäle eingebracht, diese Kanäle werden dann nacheinander mit n-leitendem anorganischen Halbleitermaterial und p- leitendem anorganischen oder organischen Halbleitermaterial zur Bildung von Nanodrähten aufgefüllt und abschließend wird eine transparente Kathode auf das n-leitende Halbleitermaterial und eine Anode auf das p-leitende Halbleitermaterial aufgebracht. Die Form der Anode wird entsprechend der Anwendung ausgewählt.

Die Kanäle in der Polymerfolie werden mittels Laserstrahl oder mittels lonenstrahl oder mittels chemischen ätzens erzeugt. Durch chemisches ätzen in NaOH einseitig oder beidseitig kann beispielsweise eine zylindrische oder eine konische Form der Kanäle realisiert werden.

In anderen Ausführungsformen ist vorgesehen, als n-leitendes Halbleitermaterial ZnO oder GaN und als p-leitendes Halbleitermaterial dotiertes ZnO oder dotiertes GaN oder CuSCN oder organisches Halbleitermaterial zu verwenden.

Als Polymerfolie kann in Abhängigkeit von den verwendeten Temperaturen bei den folgenden Verfahrensschritten PET-Folie (< 100 ⁰ C) oder Pl-FoMe (< 400 ⁰ C), vorzugsweise mit einer Dicke von ca. 1 μm bis ca. 25 μm verwendet werden.

Das Halbleitermaterial für den pn-übergang wird mittels RF Plasmadeposition oder Sputtern oder elektrochemischer Deposition in die Kanäle eingebracht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Aufbringen der transparenten Kathode und dem Auffüllen der Kanäle mit Halbleitermaterial auf deren Innenwand eine Licht leitende Schicht aus organischem oder anorganischem Material aufgebracht, vorzugsweise in einer Dicke von einigen nm bis einige 10 nm.

Das Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Arrays mit UV- Leuchtemitterdioden birgt keine technologisch schwierigen Verfahrensschritte in sich und verwendet preiswerte und nicht toxische Materialien, die eine kostengünstige Herstellung flexibler Arrays von UV-Leuchtemitterdioden ermöglichen.

Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt schematisch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen flexiblen Arrays mit zwei vertikalen UV-Leuchtemitterdioden.

Ein solches Array ist mit den folgenden Verfahrensschritten herstellbar: In eine 8 μm dicke Polymerfolie 1 , z. B. PET-Folie, werden durchgehende Nanokanäle 2 mit einem Durchmesser von ca. 200 nm mittels lonenstrahl erzeugt. Diese Folie 1 mit den eingebrachten Kanälen 2 bildet das Template für das flexible LED-Array mit einer LED-Dichte von etwa 10 ⁷ bis 10 ¹⁰ cm ^"2 . Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wird in diesem Ausführungsbeispiel vor dem Aufbringen der transparenten Kathode 4 eine 20 nm dicke Licht leitende Schicht 3 aus TiO ₂ oder einem anderen Material mit großem Reflexionsindex auf die Wandung der Kanäle 2, beispielsweise mittels ILGAR (Ion Layer Gas Reaction)-Verfahren, aufgebracht. Nun wird eine transparente Kathode 4, beispielsweise aus einem der bekannten TCO-Materialien, in einer Dicke von einigen 100 nm auf eine Seite der Polymerfolie 1 aufgebracht. Die transparente Elektrode 4 schließt die mit der Licht leitenden Schicht 3 versehenen Kanäle 2 einseitig, die nunmehr mittels elektrochemischer Deposition zunächst mit n-leitendem ZnO 5 in einer Höhe von ca. 1 μm und anschließend mit p-leitendem CuSCN 6 vollständig gefüllt werden.

Abschließend wird als Anodenschicht 7 Ag oder wiederum ein TCO-Material in einer Dicke von einigen 10 nm bis einigen 100 nm abgeschieden.