[发明专利]基于石墨烯的透明导电电极及其制法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN基LED、紫外光探测器的透明导电电极及其制法，其制法过程包括制备石墨烯薄膜、将石墨烯薄膜迁移到P型GaN基片、微加工制作探测器的透明导电电极，属于碳纳米管技术领域。

背景技术

2004年，英国Manchester大学的A.K.Geim小组用机械剥离方法在制备单原子层厚的石墨样品方向上取得了突破。他们报导了单层石墨中的场效应电子输运现象^[3]。随后2005年Geim小组和美国哥伦比亚大学的P.Kim小组相继报导在单层石墨样品中观察到整数量子霍尔效应。特别是在室温下就能观察到整数量子霍尔效应，比其他材料的温度范围大了10倍。而且，石墨烯的电子行为与相对论的粒子相似，由于电子与石墨烯的三角形点阵的周期势相互作用，单层石墨样品中的Dirac Fermion其质量几乎为零，具有相当高的迁移率。这一发现使以前只能在昂贵的高能物理实验中的现象可以在实验室中展开。石墨烯(Graphene)是由单层石墨片构成的二维碳纳米结构材料，具有优异的力学、电学和热学性能。Graphene的迁移率可超过～10⁴cm²/V·s，热导率(3500-5300W/mK)。因而碳纳米材料被认为是以自下而上的方法构筑未来纳米电子学电路最有希望的材料之一，预期在将来的高速纳米电子、光电子器件、功能复合材料的填充组分、生物化学传感器等方面得到应用。

III族氮化物GaN晶体，一般是六方纤锌矿结构。具有宽的直接带隙3.39eV(室温)，高的热导率(1.3W/cm·K)，强的原子键，化学稳定性好。良好的光电特性在固态照明、高温大功率器件、微波器件等方面具有广泛的应用前景。是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后，与SiC、金刚石等半导体材料一起，被誉为第三代半导体材料，是半导体研究的前沿和光电子应用的热点。1928年GaN首次合成，1969年单晶GaN晶体薄膜被成功制备。20世纪90年代后，采用缓冲外延层技术，人们已经能够在特定的衬底上生长GaN外延层；而且，GaN半导体的p型掺杂困难也获得了突破。GaN基LED也得到了迅速的发展，1991年，Nichia公司成功研制了中心波长430纳米的GaN基LED。目前，GaN基LED已经商业化。高灵敏紫外光探测器在军事、民用以及科研上都具有重要应用。III族氮化物GaN晶体的紫外探测器，与硅光电二极管、光电倍增管相比，是具有更低的暗电流，宽的超作温度、高的击穿场，无需过滤的日盲紫外探测器。p-i-n结构的GaN紫外探测器在提供更低暗电流、更高探测率、和更高响应率方面具有优势。

透明导电玻璃，作为光电器件的一个关键组件，被广泛用在平板显示、微小显示器、光探测器、太阳能电池的电极材料中。目前最常用的导电玻璃是氧化铟锡玻璃(ITO玻璃)。ITO通常在可见光范围内的透光率大于80％，一般电导率在(1-5)×10³S/cm。但是，使用ITO面临问题越来越严重。由于ITO中的In在地球上预计10年内就将被耗竭，In的价格近年曾高达$1,000/kg，而电子制造商对ITO的需求增加，使ITO价格变得很昂贵。除了越来越稀少和价格昂贵，ITO在酸和碱存在时，容易出现离子扩散，它的使用对制造工厂环境和人体健康造成危害，同时，离子扩散到器件聚合物绝缘层中，造成光学性能下降，甚至漏电导致器件损坏。所以，寻找和取代ITO性能的材料、和制作新材料的器件成为一个极为迫切的需求，对下一代一系列显示、光电器件的开发具有重要意义。

最近发现的石墨烯薄膜已经发现在导电性、透光性和平整度方面都体现了与ITO可比拟的性能。并且Graphene薄膜具有很好的化学稳定性和低成本的优势。另外一个优势是graphene具有高的功函数，与p型的GaN有可能形成欧姆接触。国际上，最近，Graphene的大量制备也取得了一些重要进展，化学还原的氧化石墨可以通过静电作用稳定分散在水溶液中。直接用CVD方法合成单层和若干层的Graphene透明导电薄膜也已经获得成功。这些进展为石墨烯LCD、OLED、太阳能电池以及光电探测器等方面的应用提供了可能。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种基于石墨烯的透明导电电极及其制法与应用，以石墨烯代替ITO或Ni/Au作为GaN基LED、紫外光探测器的透明导电电极，解决由于In资源即将枯竭对光电探测器、太阳能电池、触摸显示屏各领域发展的限制，拓宽碳纳米材料的应用。

本发明的先一个目的，将通过以下技术方案来实现：