CN103972416A - 基于反向结构的半导体量子点发光二极管及其制备方法 - Google Patents

基于反向结构的半导体量子点发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于发光二极管器件制备技术领域，特别涉及一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管及其制备方法。本发明半导体量子点发光二极管依次包括层叠的衬底、透明导电金属氧化物电极层、电子注入层、量子点发光层、空穴注入层和对电极层，其中涉及的电子注入层采用乙酰丙酮钛膜材料。可采用旋涂等溶液加工的方法制备电子注入层，将乙酰丙酮钛引入反向结构量子点发光二极管器件制备中，实现了电子的有效注入；并且与传统的正向结构和溶胶凝胶法制备的二氧化钛、氧化锌相比，本发明具有发光颜色纯、制备工艺简单，成本低廉，实验重复性和稳定性好、适合于大规模工业化生产等特点。

Description

基于反向结构的半导体量子点发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明属于发光二极管器件制备技术领域，特别涉及一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管及其制备方法。
背景技术
随着能源的枯竭以及环境的恶化，大量节能环保材料随之发明和应用。其中发光二极管(LED)因存在节能、环保、耐用等优点，正逐步取代传统的照明材料，成为新一代的照明光源。目前，荧光发光材料已经被广泛地应用到LED照明和显示技术中，其中由于荧光粉的光衰大、颗粒均匀度差、使用寿命短等问题，使其并非最好的LED发光材料。有机发光二极管(OLED)也是新一代LED的研究热点，但其在高温环境下高分子涂层易老化，使用寿命也受到一定影响。量子点(QDS)因具有优良的发光效率、使用寿命长、颜色纯度好等优点，成为目前新型LED发光材料的研究热点，也有逐步成为新的“绿色”发光光源的趋势。
基于II-VI族的量子点发光材料，发光波长在可见光范围可任意调节，其红光最高亮度超过15000cd/m2，发光效率超过2cd/A。基于HgTe、Pb(S、Se)的量子点，其发光波长可进一步拓展到800-2500nm。这些结果使得可溶液加工的量子点有着非常广泛的应用前景。在传统的正向结构量子点发光二极管中，低功函的负极需要通过真空蒸度的方法形成电极，工艺复杂，而且其电极环境适应性很差，容易氧化，影响发光二极管的稳定性，不利于器件的寿命和稳定性的提高。因此加工工艺简单的全溶液加工方法和可以使用稳定的电子和空穴注入层的反向结构量子点发光二极管器件备受关注。
乙酰丙酮钛是一种淡黄色粉末，以乙酰丙酮为媒介的螯合物，其分子式为C10H14O5Ti，相对分子量或原子量为262.12。其熔点为196℃～200℃。该材料溶于异丙醇，也溶于苯、甲苯和氯仿。该材料主要用作有机合成催化剂，树脂交联剂和固化促进剂等。
本发明首次将其用作电子注入材料用于反向结构量子点发光二极管中。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管及其制备方法。
一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管，所述半导体量子点发光二极管中衬底、透明导电金属氧化物电极层、电子注入层、量子点发光层、空穴注入层和对电极层顺次相连；所述透明导电金属氧化物电极层和对电极层分别与外接电源或测试装置相连；所述电子注入层的材质为乙酰丙酮钛膜材料。
基于反向结构的半导体量子点发光二极管，其特征设计为：
层叠的衬底，用于支撑整个器件的载体；
透明导电金属氧化物电极层，用于充当器件的电极；
电子注入层，用于实现电子的有效注入；
电子传输层，用于实现电子的高效迁移，可根据实际情况添加；
空穴阻挡层，用于阻挡对电极空穴的无效迁移，可根据实际情况添加；
量子点发光层，用于实现二极管器件的发光；
电子阻挡层，用于阻挡对电极电子的无效迁移，可根据实际情况添加；
空穴传输层，用于实现空穴的高效迁移，可根据实际情况添加；
空穴注入层，用于实现空穴的有效注入；
对电极层，用于充当器件的电极。
所述衬底的材质为玻璃或聚酯薄膜材料。
所述透明导电金属氧化物电极层的材质为In、Sn、Zn和Cd中的一种或多种的氧化物材料。
所述乙酰丙酮钛膜的厚度为
所述空穴注入层的材质为PEDOT:PSS或Mo、V、W和Ni中的一种或多种的氧化物材料。
所述对电极层的材质为Al、Ag、Au或其复合电极材料。
一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管的制备方法，该方法采用全溶液加工，其具体步骤如下：
(a)在衬底(1)上制备透明导电金属氧化物电极层；
(b)将乙酰丙酮钛与溶剂混合形成混合溶液，在透明导电金属氧化物电极层上旋涂所述混合溶液，经烘烤，得到电子注入层；
(c)在电子注入层上依次制备量子点发光层、空穴注入层和对电极层，得到所述基于反向结构的半导体量子点发光二极管。
步骤(b)中所述溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯和石油醚中的一种或多种。
步骤(b)中所述混合溶液中乙酰丙酮钛的浓度为2mg/mL～100mg/mL。
步骤(b)中所述混合溶液的旋涂转速为800rpm～5000rpm，烘烤的温度为20℃～250℃，烘烤时间为1分钟～48小时。
本发明的有益效果为：
本发明采用全溶液加工方法制备半导体量子点发光二极管，使得器件加工工艺更加简单易操作，从而可实现降低加工成本，适合大规模工业化生产的需求。由于稳定的电子空穴注入层材料——乙酰丙酮钛的引入，使得反向结构半导体量子点发光二极管器件具有更好的环境适应性，从而具有更强的稳定性和更长的使用寿命。
附图说明
图1为本发明电致发光二极管结构示意图；
图2为本发明实施例1所得ITO/PEDOT:PSS/QDS(OD11.8)/Al正向结构半导体量子点发光二极管的电流-电压特性及亮度曲线；
图3为本发明实施例2所得ITO/PEDOT:PSS/QDS(OD11.8)/TIPD/Al正向结构半导体量子点发光二极管的电流-电压特性及亮度曲线；
图4为本发明实施例3所得ITO/TIPD/QDS(OD11.8)/PEDOT:PSS/Al反向结构半导体量子点发光二极管的电流-电压特性及亮度曲线；
图5为本发明实施例3所得ITO/TIPD/QDS(OD11.8)/PEDOT:PSS/Al反向结构半导体量子点发光二极管的光谱曲线；
图6为本发明实施例3所得ITO/TIPD/QDS(OD11.8)/PEDOT:PSS/Al反向结构半导体量子点发光二极管的能级结构图；
图中标号：1-衬底；2-透明导电金属氧化物电极层；3-电子注入层；4-量子点发光层；5-空穴注入层；6-对电极层；7-外接电源或测试装置。
具体实施方式
本发明提供了一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管，所述半导体量子点发光二极管中衬底1、透明导电金属氧化物电极层2、电子注入层3、量子点发光层4、空穴注入层5和对电极层6顺次相连；所述电子注入层3的材质为乙酰丙酮钛膜材料。
所述衬底1的材质为玻璃或聚酯薄膜材料。
所述透明导电金属氧化物电极层2的材质为In、Sn、Zn和Cd中的一种或多种的氧化物材料。
所述乙酰丙酮钛膜的厚度为
所述空穴注入层5的材质为PEDOT:PSS或Mo、V、W和Ni中的一种或多种的氧化物材料。
所述对电极层6的材质为Al、Ag、Au或其复合电极材料。
实施例1
制备一种正向结构半导体量子点发光二极管，其具体步骤如下：
将预处理的溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次使用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇进行超声清洗，然后对其采取氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS溶液，在150℃烘烤退火15分钟，自然冷却，得到空穴注入层。随后将处理完毕的实验样品转入手套箱中，接着在所得空穴注入层表面旋涂光学密度(OD)为2.7的CdSe/ZnS核壳结构半导体量子点(由Ocean nanotech公司生产，ID：QSP0620-50)甲苯溶液，其中CdSe/ZnS核壳结构半导体量子点的浓度为2mg/mL，转速调节为1000rpm，在80℃退火30min，作为量子点发光层。然后在5×10-5Pa下真空蒸镀100nm厚的铝作为对电极。其电流-电压特性及亮度曲线如图2所示，其启亮电压为4.1V，发光二极管最大亮度为1.2cd/m2。
实施例2
制备一种正向结构半导体量子点发光二极管，其具体步骤如下：
将预处理的溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次使用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇进行超声清洗，然后对其采取氮气吹干，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS溶液，在150℃烘烤退火15分钟，自然冷却，得到空穴注入层。随后将处理完毕的实验样品转入手套箱中，接着在所得空穴注入层表面旋涂光学密度(OD)为2.7的CdSe/ZnS核壳结构半导体量子点(由Ocean nanotech公司生产，ID：QSP0620-50)甲苯溶液，其中CdSe/ZnS核壳结构半导体量子点的浓度为2mg/mL，转速调节为1000rpm，在80℃退火30min，作为量子点发光层。随后在4000rpm的转速下旋涂浓度为5.8mg/mL的乙酰丙酮钛的异丙醇溶液，在150℃烘烤10分钟，待其自然冷却后可形成薄膜电子注入层。然后在5×10-5Pa下真空蒸镀100nm厚的铝作为对电极层。其电流-电压特性及亮度曲线如图3所示，其启亮电压为3.8V，发光二极管最大亮度为318cd/m2。
实施例3
制备一种全溶液加工的反向结构半导体量子点发光二极管，其具体步骤如下：
将预处理的溅射有氧化铟锡(ITO)的透明导电玻璃依次使用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇进行超声清洗，然后对其采取氮气吹干，随后将处理完毕的导电玻璃转入手套箱中，在4000rpm的转速下旋涂5.8mg/mL的乙酰丙酮钛的异丙醇溶液，在150℃烘烤10分钟，待其自然冷却后可形成薄膜电子注入层(3)。接着在所得电子注入层(3)表面旋涂光学密度(OD)为2.7的CdSe/ZnS核壳结构半导体量子点(由Ocean nanotech公司生产，ID：QSP0620-50)甲苯溶液，其中CdSe/ZnS核壳结构半导体量子点的浓度为2mg/mL，转速调节为1000rpm，在80℃退火30min，作为量子点发光层(4)。待自然冷却后从手套箱中取出实验样品，在空气环境中，在2000rpm的转速下旋涂PEDOT:PSS溶液，并在150℃烘烤15分钟，自然冷却，随即得到空穴注入层(5)。然后在5×10-5Pa下真空蒸镀100nm厚的铝作为对电极。其电流-电压特性及亮度曲线如图4所示，其启亮电压为4.3V，发光二极管最大亮度为264cd/m2。电致发光光谱图如图5所示，其峰值波长范围为610nm～620nm。在所得的半导体量子点发光二极管中，电子注入层厚度为

Claims (10)

1.一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管，其特征在于：所述半导体量子点发光二极管中衬底(1)、透明导电金属氧化物电极层(2)、电子注入层(3)、量子点发光层(4)、空穴注入层(5)和对电极层(6)顺次相连；所述电子注入层(3)的材质为乙酰丙酮钛膜材料。
2.根据权利要求1所述的反向结构半导体量子点发光二极管器件，其特征为：所述衬底(1)的材质为玻璃或聚酯薄膜材料。
3.根据权利要求1所述的反向结构半导体量子点发光二极管器件，其特征为：所述透明导电金属氧化物电极层(2)的材质为In、Sn、Zn和Cd中的一种或多种的氧化物材料。
4.根据权利要求1所述的反向结构半导体量子点发光二极管器件，其特征为：所述乙酰丙酮钛膜的厚度为
5.根据权利要求1所述的反向结构半导体量子点发光二极管器件，其特征为：所述空穴注入层(5)的材质为PEDOT:PSS或Mo、V、W和Ni中的一种或多种的氧化物材料。
6.根据权利要求1所述的反向结构半导体量子点发光二极管器件，其特征为：所述对电极层(6)的材质为Al、Ag、Au或其复合电极材料。
7.如权利要求1～6任意一项权利要求所述的一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管的制备方法，其特征在于，该方法采用全溶液加工，具体步骤如下：
(a)在衬底(1)上制备透明导电金属氧化物电极层(2)；
(b)将乙酰丙酮钛与溶剂混合形成混合溶液，在透明导电金属氧化物电极层(2)上旋涂所述混合溶液，经烘烤，得到电子注入层(3)；
(c)在电子注入层(3)上依次制备量子点发光层(4)、空穴注入层(5)和对电极层(6)，得到所述基于反向结构的半导体量子点发光二极管。
8.根据权利要求7所述的一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管的制备方法，其特征在于：步骤(b)中所述溶剂为异丙醇、异辛醇、乙醇、乙酸乙酯和石油醚中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管的制备方法，其特征在于：步骤(b)中所述混合溶液中乙酰丙酮钛的浓度为2mg/mL～100mg/mL。
10.根据权利要求7所述的一种基于反向结构的半导体量子点发光二极管的制备方法，其特征在于：步骤(b)中所述混合溶液的旋涂转速为800rpm～5000rpm，烘烤的温度为20℃～250℃，烘烤时间为1分钟～48小时。
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