CN102820391A - 硅基上的近红外量子点电致发光的器件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种硅基上的近红外量子点电致发光的器件，包括：一衬底；一氧化层制作在衬底上，该氧化层为二氧化硅薄膜，其通过分担电压，平衡电子和空穴的注入；一发光层制作在氧化层上，该发光层为近红外发光的胶体量子点；一电子传输层制作在发光层上，该电子传输层可以传输电子，提高电子载流子注入效率；一金属电极制作在电子传输层上，该金属电极用于向发光层注入电子；其中所述衬底、氧化层、发光层、电子传输层和金属电极为平板波导结构或为脊形波导结构，所述脊形波导结构的衬底为凸字形，中间有一凸台，所述氧化层、发光层、电子传输层和金属电极均制作在衬底的凸台上。本发明具有发光频率可调谐，且材料容易获得，制作成本低廉和工艺简单的优点。

Description

硅基上的近红外量子点电致发光的器件及制备方法
技术领域
本发明涉及一种电致发光器件，特别是一种在硅基上的近红外量子点电致发光的器件及制备方法。
背景技术
硅(Si)是一种重要的半导体集成电路材料，但由于硅是间接带隙材料，发光效率低，为了在硅片上实现光电集成，在过去的几十年，人们开展了大量硅基发光材料和器件的研究工作，如在硅衬底上集成III-V族发光材料，或者制作多孔硅等。硅基近红外光源有望用于光通讯中，与成熟的CMOS工艺结合，作为光电子集成甚至全光通讯中的光源。
胶体量子点是一种新型的量子点材料，它是粒径在纳米尺度的晶体粒子，可以采用化学方法合成得到。因此与传统的真空生长得到的量子点不同，胶体量子点的制备不需要考虑与衬底的晶格匹配，因此几乎可以与任意衬底集成。再者，胶体量子点的发光波长可以通过控制其粒径进行调制，因此可以很方便的获得各个波长的发光。
如果将近红外的胶体量子点与硅材料相结合，利用胶体量子点不需要考虑晶格匹配、发光波长可通过粒径调控的优点，以及现有的成熟的CMOS工艺，在硅基上制作出近红外胶体量子点的发光光源，将可能为硅基光电子集成、未来光通讯开辟一条新道路。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种硅基上的近红外量子点电致发光的器件及制备方法，它的发光频率可调谐，且材料容易获得，制作成本低廉，工艺简单。
本发明提供一种硅基上的近红外量子点电致发光的器件，包括：
一衬底；
一氧化层，该氧化层制作在衬底上，该氧化层为二氧化硅薄膜，其通过分担电压，平衡电子和空穴的注入；
一发光层，该发光层制作在氧化层上，该发光层为近红外发光的胶体量子点；
一电子传输层，该电子传输层制作在发光层上，该电子传输层可以传输电子，提高电子载流子注入效率；
一金属电极，该金属电极制作在电子传输层上，该金属电极用于向发光层注入电子；
其中所述衬底、氧化层、发光层、电子传输层和金属电极为平板波导结构或为脊形波导结构，所述脊形波导结构的衬底为凸字形，中间有一凸台，所述氧化层、发光层、电子传输层和金属电极均制作在衬底的凸台上。
本发明还提供一种硅基上的近红外量子点电致发光的器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底；
步骤2：在衬底上制作一氧化层，该氧化层为二氧化硅薄膜，其通过分担电压，平衡电子和空穴的注入；
步骤3：在氧化层上制作发光层，该发光层为近红外发光的胶体量子点；
步骤4：在发光层上制作一电子传输层，该电子传输层可以传输电子，提高电子载流子注入效率。
步骤5：在传输层上制作一金属电极，该金属电极用于向发光层注入电子。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明第一实施例的结构示意图，其是显示在完全硅衬底上的平板结构；
图2为本发明第二实施例的结构示意图，其是显示在SOI衬底上的脊形波导结构。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明提供一种硅基上的近红外量子点电致发光的器件，包括：
一衬底10，该衬底10的材料为重掺杂的p型或n型完全硅材料，或者为重掺杂的p型或n型SOI材料，重掺杂的硅或SOI电阻率小于25Ω·cm，该衬底10作为电极向器件注入空穴；
一氧化层20，该氧化层20用快速热氧化法或者高温低压氧化法制作在衬底10上，该氧化层20为厚度是1-5nm的二氧化硅薄膜，其通过分担电压，改变衬底硅的费米能级以及发光层的导带和价带能级的位置，来平衡电子和空穴的注入，从而提高载流子在发光层中的辐射复合几率；
一发光层30，该发光层30是用旋涂方法制作在氧化层20上的胶体量子点，该发光层30为近红外发光的胶体量子点，该发光层30为发光波长是1100-1700nm的近红外波段的胶体量子点材料；
一电子传输层40，该电子传输层40是采用旋涂工艺或者真空生长工艺制作在发光层30上，该电子传输层可以传输电子，提高电子载流子注入效率，该电子传输层40为n型的宽禁带半导体薄膜；
一金属电极50，该金属电极50采用电子束蒸发或者热蒸发工艺制作在电子传输层40上，该金属电极50的材料可以为铝或者银或者金，厚度为50-500nm之间，该金属电极50用于向发光层30注入电子；
其中所述衬底10、氧化层20、发光层30、电子传输层40和金属电极50为平板波导结构1(参阅图1)或为脊形波导结构2(参阅图2)，所述脊形波导结构2的衬底10为凸字形，中间有一凸台，所述氧化层20、发光层30、电子传输层40和金属电极50均制作在衬底10的凸台上。
请参阅图1及图2所示，本发明还提供一种硅基上的近红外量子点电致发光的器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底10，该衬底10的材料为重掺杂的p型或n型完全硅材料，或者为重掺杂的p型或n型SOI材料，重掺杂的硅电阻率小于25Ω·cm；
步骤2：在衬底10上用快速热氧化法或者高温低压氧化法制作一氧化层20，该氧化层20为二氧化硅薄膜，其通过分担电压，平衡电子和空穴的注入，该氧化层20的厚度为1-5nm；
步骤3：在氧化层20上制作发光层30，该发光层30为近红外发光的胶体量子点，该胶体量子点为IV-VI族组合的二元化合物半导体材料(PbS/Se/Te)。制作器件是需要把胶体量子点旋涂在氧化层20上，旋涂转速一般为3000转每分，发光层30厚度一般在100-500nm之间，发光波长为1100-1700nm的近红外波段
步骤4：在发光层30上采用旋涂工艺或者真空生长工艺制作一电子传输层40，如果采用旋涂工艺制作，则预先采用溶胶凝胶的方法制备得到ZnO纳米晶体溶液，以3000转每分的速度旋涂。如果采用真空生长工艺制作，则采用离子束溅射或者磁控溅射法制作得到。该电子传输层40可以为ZnO薄膜，厚度一般在20-100nm之间。该电子传输层40为n型的宽禁带半导体薄膜；
步骤5：在传输层40上用电子束蒸发或者热蒸发工艺制作一50-500nm厚的金属电极50，该金属电极50的材料可以为铝或者银或者金，该金属电极50用于向发光层30注入电子。
其中所述衬底10、氧化层20、发光层30、电子传输层40和金属电极50为平板波导结构1或为脊形波导结构2，所述脊形波导结构2是在制作完成后，采用光刻的方法，去除衬底10上两侧的氧化层20、发光层30、电子传输层40和金属电极50，去除的深度到达衬底10内，形成脊形波导结构2。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种硅基上的近红外量子点电致发光的器件，包括：
一衬底；
一氧化层，该氧化层制作在衬底上，该氧化层为二氧化硅薄膜，其通过分担电压，平衡电子和空穴的注入；
一发光层，该发光层制作在氧化层上，该发光层为近红外发光的胶体量子点；
一电子传输层，该电子传输层制作在发光层上，该电子传输层可以传输电子，提高电子载流子注入效率；
一金属电极，该金属电极制作在电子传输层上，该金属电极用于向发光层注入电子；
其中所述衬底、氧化层、发光层、电子传输层和金属电极为平板波导结构或为脊形波导结构，所述脊形波导结构的衬底为凸字形，中间有一凸台，所述氧化层、发光层、电子传输层和金属电极均制作在衬底的凸台上。
2.根据权利要求1所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件，其中衬底的材料为重掺杂的p型或n型完全硅材料，或者为重掺杂的p型或n型SOI材料，重掺杂的硅电阻率小于25Ω·cm。
3.根据权利要求1所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件，其中氧化层的厚度为1-5nm的二氧化硅薄膜。
4.根据权利要求1所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件，其中发光层为发光波长是1100-1700nm的近红外波段的胶体量子点材料。
5.根据权利要求1所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件，其中电子传输层为n型的宽禁带半导体薄膜。
6.一种硅基上的近红外量子点电致发光的器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底；
步骤2：在衬底上制作一氧化层，该氧化层为二氧化硅薄膜，其通过分担电压，平衡电子和空穴的注入；
步骤3：在氧化层上制作发光层，该发光层为近红外发光的胶体量子点；
步骤4：在发光层上制作一电子传输层，该电子传输层可以传输电子，提高电子载流子注入效率。
步骤5：在传输层上制作一金属电极，该金属电极用于向发光层注入电子。
7.根据权利要求6所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件的制备方法，其中所述衬底、氧化层、发光层、电子传输层和金属电极为平板波导结构或为脊形波导结构，所述脊形波导结构是在制作完成后，采用光刻的方法，去除衬底上两侧的氧化层、发光层、电子传输层和金属电极，去除的深度到达衬底内，形成脊形波导结构。
8.根据权利要求6所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件的制备方法，其中衬底的材料为重掺杂的p型或n型完全硅材料，或者为重掺杂的p型或n型SOI材料，重掺杂的硅电阻率小于25Ω·cm。
9.根据权利要求6所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件的制备方法，其中氧化层的厚度为1-5nm的二氧化硅薄膜。
10.根据权利要求6所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件的制备方法，其中发光层为发光波长是1100-1700nm的近红外波段的胶体量子点材料。
11.根据权利要求6所述的硅基上的近红外量子点电致发光的器件的制备方法，其中电子传输层为n型的宽禁带半导体薄膜。
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