专利名称：纳米线发光元件及显示装置的制作方法
技术领域：
本发明提供一种发光元件及显示装置，特别是指一种纳米线发光元件及显示装置，
目前发光二极管(LED)无论是CaN是蓝，绿光或AlGaInP四元是红、黄光，其发光二极管元件内部发光层发光效率都很高，但由于发光二极管内部各层材料的折射及吸光问题，以致使发光二极管元件的外部实际光输出其发光效率并不高，大部分的光都无法被取出，因此有些人为了使发光二极管亮度增强，采取了各种方式如将发光二极管晶粒表面粗造化，或采用透明基板(如HP专利技术)等 ，都可以大幅提高LED的亮度。
今若采用纳米单晶线来制作发光二极管(LED)，则每一根纳米线均为一发光点，而由于纳米线的直径为仅有数十纳米(约20nm)，远小于发光波长(350nm-520nm)，因此光可直接透过射出，没有折射问题因此大部分LED所发出的光均可射出，故其发光效率可大幅提升，将数千根纳米线集合成一发光点约0.5mm-3mm即为本发明“纳米线发光元件及显示装置”基本结构，将复数个发光点组合起来可形成一“纳米线平面光源”或“纳米线平面显示器”。
由于目前成长纳米线材大都为氧化锌(ZnO)，氮化镓(CaN)，砷化镓(CaAs)或硅(Si)等半导体材料，今将纳米线制成具有P、N介面的发光二极管(LED)，由于它每一根具有高发光效率，是现今四元(AlGalnP)高亮度发光二极管(LED)的数倍以上，且可容易制成平面显示器不需昂贵的投资设备即可完成，故纳米线发光二极管及显示装置，可能成为下一代平面显示器或平面电视的主流产品，因为它具有反应速度快、低电压驱动、寿命长、耐候佳等特性，是现今所有显示器所没有的特性功能。
纳米线材料可成长在同质基板上(如
图1所示)，如在硅基板上成长硅(Si)纳米线或在砷化镓(GaAs)基板上成长砷化镓(GaAs)纳米线，纳米线亦可成长在异质基板上如氧化铝(Al2O3)基板上成长ZnO或GaN纳米线等，将ZnO、GaN，GaAs等纳米线材料选择成长在透明导电基板上，如SiC，ZnO、GaN单晶基板本身具导电性，且透光良好，但以上透明导电单晶材料成本高且面积不大，若设计将纳米线成长于镀有透明导电膜(ITO、ZnO或类钻石)玻璃基板上(或石英玻璃基板上)，则可大幅降低生产成本，且可大面积生产，形成平面显示器或发光元件。
以纳米线材制成发光元件其主要成长纳米线材料可为GaAs、Si、ZnO、GaN、ZnSe等，将ZnO，GaN、ZnSe等半导体材料成长在透明导电基板(或镀有透明导电膜ITO、ZnO或类钻石的玻璃)上并加入其它不同的成分使成长形成具有P、N介面的结构的奈术线，并封装成型如此可形成发蓝光或紫外光(波长480nm-350nm)的发光二极管元件，并在其基板表面上涂上红、蓝、绿三基色(R、C、B)的萤光粉即可成为彩色平面显示器，或涂上红、蓝、绿(R、C、B)三颜色混合的萤光粉即可成为三波长白色光平面照明光源，此为现今世界上首创的产品。
纳米线发光二极管的制作方法，例如氧化锌(ZnO)纳米线1.首先在透明导电基板或镀有透明导电膜(ZnO)的玻璃上镀很薄的一层金属触媒(如金)约50-500A厚(厚度决定纳米线粗细)。
2.利用加温方式(约650℃)使薄金属触媒层集聚成许多纳米金属触媒点，但金属触媒不能与底材产生合金作用。
3.于热处理管炉中加温同时通入气体，利用VLS(气相—液相—固相法)，将欲成长纳米线的气相化合物溶入金属触媒所形成的液相中，才能析出单晶纳米线；先成长N型ZnO纳米线后，再成长P型ZnO纳米线如此形成第一基板。
4.取另一基板使其中一面镀有可与金的金属触媒形成低温共晶熔接(Eutectic)的材料，并具有光反射的金属材料膜层如Sn(Sn20％共晶点温度278℃)或Sb(Sb25.4％共晶点温度360℃)或Si(Si3.16％共晶点温度363℃)或Ge(Ge12.5％共晶点温度361℃)或Bi(Bi89.4％共晶点温度241℃)或Pb(Pb85.4％共晶点温度212.5℃)，如此形成第二基板。
5.将第二基板直接盖合在第一基板上，使第一基板上纳米线顶端的金属触媒(如Au)元素与第二基板的Sn元素接触，利用加温方式使两基板的金属层Sn-Au共晶接合在一起。
6.在第一基板与第二基板上加入一DC顺向电流、电压后，纳米线发光二极管LED就会发光，即形成本发明利用纳米线发光二极管所制作的“纳米线发光元件及显示装置”的基本结构。
本发明“纳米线发光元件及显示装置”中，若采用GaN材料则成长纳米线的金属触媒应为铁(Fe)薄膜，且在P与N极介面上再加上成长单一量子井或多量子井结构，则可提高纳米线发光二极管的亮度。
纳米线发光二极管以数千根或数万根为一区块，形成一发光点或形成一发光面(大面积)，由于直接采用ZnO或ZnSe或GaN单晶线体，该纳米线发光二极管可产生蓝光或绿光或紫外光等波长。
若直接形成紫外光波长，可直接在透明基板的另面涂上一层三基色混合萤光粉(R、G、B)使产生白光，可用于照明光源。若在各发光点涂上红、蓝、绿三基色各色萤光粉则可形成全彩显示器，为全世界第一个全彩无机纳米线发光二极管显示器，具有反应速度快、低压驱动、超薄、耐侯性强等特点，为未来显示器的主流。
“纳米线发光元件及显示装置”的制作方法1、取第一透明导电基板(或镀有透明导电膜ITO、ZnO或类钻石的玻璃)将欲成长纳米线发光二极管先规划好区块以曝光显影方式使要成长的区块才有镀薄金属触媒膜层约50-500A(如金)。
2、以加温方式使金属触媒膜形成纳米金属触媒点。
3、先成长N(或P)形半导体材料再成长P(或N型)半导体材料。
4、第二基板镀有与金属触媒(如金)共晶合金的材料(如Sn、Sb或Pb等)。
5、将第二基扳与第一基板接合，并以加温方式使金属触媒(如金)与共晶合金的材料(如如Sn、Sb或Pb等)产生合金焊接。
6、于第一透明基板上在各发光点相对位置涂上各色萤光粉，使产生R、G、B三颜色光，即可形成纳米线LED显示器。
本发明“纳米线发光元件及显示装置”的制作方法，可将所有纳米线LED制成紫外光再外加三基色(R、G、B)萤光粉，利用紫外光激发萤光粉使产生R、G、B三颜色；另一方法可全制成发蓝光，将其中二发光点以色转换方式涂萤光粉，其中一色利用蓝光激发绿色萤光粉产生绿色光，一色利用蓝光激发红色萤光粉产生红色光，另一色则不经过色转换，如此亦可形成全彩功能。
纳米线白光LED的制作方法其主要在蓝光纳米线LED面板上加上黄色的萤光粉(YAGCe)，利用黄、蓝互补色即可形成白色光。另一种方法也可以使纳米线LED全部发紫外光，并在纳米线LED发光面板上涂上R、G、B三色混合的萤光粉使产生白光。
另本发明人亦研究出以紫光(波长295nm-425nm)激发三色混合的萤光粉，亦可产生三波长白光者其中红色萤光粉为3.5MgO·0.5MgF2·GeO2Mn或6MgO·As2O5Mn蓝色萤光粉为ZnSCu，Al或Ca2MgSi2O7Cl绿色萤光粉为BaMgAl10O17Eu，Mn或(Sr、Ca、Ba、Mg)10(PO4)6Cl2Eu以紧外光(波长350nm-395nm)激发三色混合的萤光粉，亦可产生三波长白光者其中红色萤光粉为Y202SEu蓝色萤尤扮为BaMgAl10O17Eu或(Sr、Ca、Ba、Mg)10(PO4)6Cl2Eu或BaMg2Al16O27Eu绿色萤光粉为BaMgAl10O17Eu，Mn纳米线被发现才二年左右时间，目前研究单位尚在研究如何应用的阶段时，本人首先将其运用在平面显示器与平面照明光源上，仍是一大革新进步产品，它具有各种优良的特性与低生产成本的能力，可望成为下一代全彩平面显示器与照明光源的主流产品。
图12是本发明纳米线发光元件及显示装置实施例二为通明导电层的透明基板镀金属触媒剖面图；图13是本发明纳米线发光元件及显示装置实施例二为透明导电层及金属触媒的透明基板成长纳米线示意图；图14是本发明纳米线发光元件及显示装置实施例二盖合基板与金属触媒层共晶合金接合的剖面图；图15是本发明纳米线发光元件及显示装置实施例二盖合基板上耐温型光阻层经曝光，显影及去光阻的示意图；图16是本发明纳米线发光元件及显示装置实施例二成品结构图；图17是本发明纳米线发光元件及显示装置加萤光粉成品结构图；图18是本发明纳米线发光元件及显示装置加三色萤光粉成品结构图。
2，在上述基板绝缘层6表面，上一层光阻层7(如图4所示)。
3，选区曝光显影(如图5所示)，并以蚀刻方式将曝光显影区8的绝缘层6去除(如图6所示)。
4、再于透明基板4上镀上一层金属触媒3(如Au)层约50A-500A(如图7所示)并加热(约650℃)使金的金属触媒形成纳米金点。
5、去除光阻层7后(如图8所示)再将透明基板4送至炉管中以VLS法(气相—液相—固相法)成长纳米线，于纳米线成长中加入不同成份，使纳米线形成具有N型(或P型)半导体纳米线10和P型(或N型)半导体纳米线11成P-N介界的发光二极管结构(如图9所示)。
6，将盖合基板12盖合至有成长纳米线的基板上，使盖合基板与下盖基板左右各预留有接线端点(如图10所示)，利用加温方式使盖合基板12内面镀有可与金属触媒层形成共晶合金材料13(如Sn、Sb或Pb)能与纳米线顶端的金属触媒3金元素产生共晶熔接。
7、在接合处四周涂以接合胶14以利接合盖合基板12与透明基板4，并防止水气渗入元素中。
8、通电即可看见光从透明基板4表面射出。
2、于上述透明基板4上镀一层金属触媒层3厚约50A-500A，再上光阻，利用曝光显影方式做选区蚀刻出所需要的金属触媒层3(如图12所示)。
3、于炉管中成长纳米线使成长具有N型(或P型)半导体纳米线10和P型(或N型)半导体纳米线11成P-N介界的发光二极管的构造(如图13所示)。
4，于盖合基板12上使其内面镀有可与金属触媒层形成共晶合金材料13(如Sn、Sb或Pb)等元素(如图14所示)。
5、于盖合基板12和与金属触媒层形成共晶合金材料13(Sn或Sb)上一层耐温型光阻层15，并曝光显影将不要的光阻去除，剩下的耐温型光阻层15加温烤使之定型当作支撑柱作用(如图15所示)。
6、将上述的盖合基板12配有成长纳米线发光二极管的透明基板盖合(如图16所示)，利用加温方式使纳米线的顶端金属触媒层3元素与盖合基板12内面的与金属触媒层形成共晶合金材料13(Sn或Sb)产生共晶熔接。
7、于盖合后的接合处涂接合胶14以防止水气渗入基板内。
8、通电即可在玻璃基板4处射出光。
实施例一与实施例二之间除了制程不同外，其结构最大的不同在于支撑柱材料的不同，实施例一采用无机的SiO2当绝缘层6，而实施例二则采用耐温型光阻层15(最高耐温约280℃，约十分钟没问题)，元件于短时间经过回焊炉共晶接合时，超过350℃的时间仅有几秒钟，故元件并不会受影响，若纳米线发光元件为发紫外光波长，则必须采用实施例一其元件都为无机物，不会受UV光照射而产生裂化，但如发蓝光及纳米线共晶接合为低温型(如金与锡共晶熔接点温度为278℃)，则可使用实施例二可节省成本。
纳米白光LED的制作方法其主要在蓝光纳米线LED面板上加上黄色的萤光粉(YAGCe)，利用黄、蓝互补色即可形成白色光。另也可以使纳米线LED全部发紫外光，并在纳米线LED面板上涂上红、蓝、绿三色混之萤光粉使产生白光(如图17所示)。
若在各发光点涂上红、蓝、绿三基色各色萤光粉(如图18所示)则可形成全彩显示器，为全世界第一个全彩无机纳米线发光二极管显示器，具有反应速度快、低压驱动、超薄，耐后性强等特点，为未来显示器的主流。
综上所述本发明“纳米线发光元件及显示装置”可制作出高效率的发光元件，如LED单体亦可制作出平面显示器，还可做出平面白色光源，由于纳米线LED为无机材料，寿命长，发光效率高(至少达20流明以上)、省电、环保、低电压，安全、反应速度快、视角大又薄，为集所有显示器的优点于一身，仍为当今世界显示器最佳的选择。
权利要求
1.一种纳米线发光元件及显示装置，包括一透明导电基板；一盖合基板，其一表面镀有金属层，用以连接纳米线发光元件；一纳米线发光元件，由复数根纳米线发光二极管所构成，其中每一根纳米线均具有P型及N型及发光层的结构；一绝缘层支撑柱，用以支撑透明导电基板及盖合基板；由透明导电基板与盖合基板叠合，中间由绝缘层支撑柱支撑，在两支撑柱空间则设置纳米线发光元件，利用盖合基板内面金属层及透明导电基板作为电极导体，并使纳米线发光元件所发出的光由透明导电基板面射出。
2，如权利要求1所述的纳米线发光元件及显示装置，其特征在于，其中透明导电基板，为一种具有透明且导电的材料如ZnO、GaN、SiC单晶基板或一种在透明基板如玻璃、石英玻璃基板上镀透明导电膜如ITO、ZnO、类钻石膜层。
3，如权利要求1所述的纳米线发光元件及显示装置，其特征在于，其中纳米线发光元件材料为GaN，ZnSe、GaAs、ZnO或Si等半导体发光材料所形成。
4.如权利要求1所述的纳米线发光元件及显示装置，其特征在于，其中纳米线发光二极管可成长于透明导电基板或盖合基板上。
5，如权利要求1所述的纳米线发光元件及显示装置，其特征在于，其绝缘层支撑柱可制作于盖合基板上。
6.如权利要求1所述的纳米线发光元件及显示装置，其特征在于，其绝缘层支撑柱，可以为二氧化硅或耐温型光阻或其它耐温绝缘材质。
7.如权利要求1所述的纳米线发光元件及显示装置，其特征在于，其绝缘层支撑柱厚度约3um-10um。
8.一种纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，包含以下步骤在透明导电基板上镀一绝缘层，并在表面上一层光阻层，经选区曝光显影，并以蚀刻方式将曝光显影区的绝缘层去除，使透明导电层上两侧各形成一绝缘层支撑柱；再于透明导电基板上镀一层金属触媒，并除光阻层；后将透明导电基板放入反应腔体中以气相—液相—固相法成长纳米线，于纳米线成长中加入不同成份，使纳米线形成具有PN半导体介面的纳米线；在盖合基板上镀上一层能与纳米线顶端的金属触媒元素产生共晶熔接的材料；将盖合基板盖合至有纳米线的透明导电基板上，使盖合基板与透明导电基板左右各预留有接线端点，然后利用加温方式使盖合基板内面镀有能与金属触媒产生共晶熔接的材料，能与纳米线顶端的金属触媒元素产生共晶熔接，在接合处四周涂以接合胶即完成。
9，如权利要求8所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，其中所述纳米线发光二极管以复数个构成一发光区块，并以单数或复数个发光区块，构成平面光源或平面显示器等装置。
10.如权利要求8所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，所成长的纳米线发光二极管可发蓝光、紫光或紫外光。
11.如权利要求8或10所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，发蓝光的纳米发光元件，于发光面涂覆黄色萤光材料产生两波长白光或涂上红色绿色的萤光材料使产生三波长白光。
12.如权利要求8或10所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，发蓝光的纳米发光元件，于发光面各发光点上涂上绿色或红色萤光层材料利用蓝光作波长转换使涂有绿色萤光层材料的地方产生绿色光，使涂有红色萤光层材料的地方产生红色光，未涂萤光层材料的地方产生蓝色光，使产生红、蓝、绿全彩显示装置。
13.如权利要求8或10所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，发紫光的纳米发光元件，于发光面涂覆红蓝绿各色波长的萤光层材料，产生红、蓝、绿各色波长的光形成全彩显示装置，或涂覆红、蓝、绿混合的萤光层材料使产生白光。
14.如权利要求13所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，其中发紫光的纳米发光元件，其使用的萤光层材料，红色萤光层材料为3.5MgO·0.5MgF2·GeO2Mn或6MgO·As2O5Mn，蓝色萤光层材料为ZnSCu，Al或Ca2MgSi2O7Cl，绿色萤光层材料为BaMgAl10O17Eu，Mn或(Sr、Ca、BaMg)10(PO4)，6C12Eu。
15.如权利要求8或10所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，发紫外光的纳米线发光元件，于发光面涂覆红、蓝，绿各色波长的萤光层材料，产生红、蓝、绿各色波长的光形成全彩显示装置，或涂覆红、蓝、绿混合的萤光层材料使产生白光。
16.如权利要求15所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，其中发紫外光的纳米线发光元件，其使用的萤光层材料，红色萤光层材料为Y2O2SEu，蓝色萤光粉为BaMgAl10O17Eu或(Sr、Ca、Ba、Mg)10(PO4)6Cl2Eu或BaMg2Al160O27Eu，绿色萤光粉为BaMgAl10O17Eu，Mn。
17，如权利要求8所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，其绝缘层支撑柱可制作于盖合基板上，再将盖合基板盖合至透明导电基板上。
18.如权利要求8所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，其透明导电基板上镀一层金属触媒厚度约50A-500A。
19.如权利要求2所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，其中纳米线发光二极管的金属触媒为金则其共晶接合材料为Sn、Sb、Pb、Si、Ge，Bi或其它可与金属触媒共晶合金材料。
20.如权利要求8所述的纳米线发光元件及显示装置的制造方法，其特征在于，其中纳米线发光二极管可成长于透明导电基板或盖合基板上。
全文摘要
本发明纳米线发光元件及显示装置是将半导体材料制作成纳米单晶线或纳米单晶柱，将纳米线成长在透明导电基板(或镀有透明导电膜的玻璃基板)上并制作成P、N介面的结构，利用其纳米线的尖端有一导电金属触媒(如金)，将另一基板其表面镀导电金属膜层如Sn、Sb或Pb等材料，其材料可与纳米线顶端的金属触媒材料形成低温共晶焊接，如此即可形成具有正、负(P、N)极性的纳米线发光元件。将复数个纳米线发光元件制作成点矩阵状，即可形成纳米线发光二极管平面显示装置，其特点为自发光且发光效率高，又是无机材料耐候性佳，寿命长，为下一代平面显示器及照明最佳元件之一。
文档编号H01L33/00GK1453884SQ0211837
公开日2003年11月5日 申请日期2002年4月25日 优先权日2002年4月25日
发明者陈兴 申请人:诠兴开发科技股份有限公司