CN104966769B - 一种具有双光子晶体结构的量子点发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其自下而上依次包括衬底101，空穴注入层102，在空穴注入层102设置的反射型光子晶体即光子晶体一103，空穴传输层104，量子点有源区105，在电子传输层107设置的缺陷型光子晶体即光子晶体二106，电子传输层107，电子注入层108。本发明的有益效果为：显著提高LED的光提取效率；提高LED的内量子效率，最终也有利于提高LED的发光功率和亮度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种具有双光子晶体结构的量子点发光二极管。
背景技术
量子点具有量子尺寸限制效应，通过改变量子点的尺寸，可以实现不同波长的发光。基于量子点的发光二极管器件具有色彩饱满、纯度高、单色性佳、颜色可调以及可大规模制备等优点。
现有技术制备的量子点发光二极管LED通常采用三明治结构，如图2所示。即含有量子点的薄膜被设置在p型和n型半导体薄膜材料之间，但这种结构的量子点LED与常见的多量子阱LED一样发光率不高。因为发光效率由内量子效率和光提取效率共同决定，而采用量子点作为有源区，虽然可以将LED的内量子效率提高到一个很高的水平，但光提取效率却受制于全反射现象依然较低，所以现阶段LED研究人员的努力方向之一就是提高LED的光提取效率。
近年来，将光子晶体结构应用到LED中，利用光子晶体的光子禁带效应提高LED出光率的方法受到越来越多研究者的注目。目前具体采用的方法主要有以下三种：一是在p型材料层或铟锡氧化物(ITO)层表面制作二维光子晶体来提高LED的光提取效率；二是在蓝宝石衬底背面制作二维光子晶体，使其起到透镜的作用，来提高LED底面的光提取效率；三是在蓝宝石衬底表面制作二维光子晶体，使其既能发挥图形化衬底的作用，可提高LED的晶体质量和内量子效率，同时又能发挥光子禁带效应的作用，提升LED的光提取效率。采用上述将光子晶体结构应用于LED的方法虽然均提高了LED的出光效率，但其采用的均为单一光子晶体结构。原理上，双光子晶体结构相较于单一光子晶体结构，可以更有效的增强或者减弱某种波长的光线在其内部传播的能力，因而若应用于LED将具有更强的提高LED光提取效率的能力。目前为止，在LED中同时设置两个或者以上光子晶体结构的方法即使在普通的量子阱LED中也极为罕见，更尚未见气在量子点LED上的应用。因此，对于量子点LED而言，研发采用复数个光子晶体结构来提高LED的光提取效率的技术非常值得期待。
发明内容
发明目的：本发明提供一种具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，通过在空穴注入层设置具有光子禁带效应的反射型光子晶体即光子晶体一，在电子传输层设置具有光子波导效应的缺陷型光子晶体即光子晶体二，可以有效地增强或者减弱某种波长的光线在LED内部传播的能力，从而显著提高LED的光提取效率即外量子效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其自下而上依次包括：衬底101，空穴注入层102，在空穴注入层102设置的反射型光子晶体即光子晶体一103，空穴传输层104，量子点有源区105，在电子传输层107设置的缺陷型光子晶体即光子晶体二106，电子传输层107，电子注入层108。
优选的，所述反射型光子晶体即光子晶体一103的结构形式为空气孔型或介质柱型，且呈周期性三角排布结构，其晶格周期范围为200～800nm，刻蚀深度为80～300nm。
优选的，所述缺陷型光子晶体即光子晶体二106的结构形式为空气孔型或介质柱型，呈周期性正方形、菱形或者六边形排布结构中的一种，其晶格周期范围为200～800nm，刻蚀深度为40～200nm。
优选地，所述衬底101选用III-V族或II-VI族化合物半导体及其合金的导电材料，尤其是导电性能良好的ZnO材料，厚度为100μm。
优选地，所述空穴注入层102选用氧化铟锡(ITO)材料，厚度为100～500nm。
优选地，所述的空穴传输层104，电子传输层107分别为p型掺杂和n型掺杂的III-V族或II-VI族化合物半导体及其合金，厚度为50～500nm。
优选地，所述的量子点有源区105可以是由II-VI族化合物半导体及其合金组成的单一核或者核壳结构，量子点的平均尺寸为5～20nm，厚度为20～100nm。
优选地，所述的电子注入层108材质为金属Al，Au，Ag，In中的一种或其合金材料，厚度为100～300nm。
有益效果：通过在空穴注入层102设置反射型二维光子晶体即光子晶体一103，利用其光子禁带效应，可将LED发出的、原本射向衬底101的光线反射回来，从而显著提高LED的光提取效率；同时，由于设置在空穴注入层102的光子晶体一103对于在其后生长的空穴传输层104和量子点有源区105起到了一个图形化衬底的作用，有利于降低各外延层中的缺陷密度，从而可提高LED的内量子效率，最终也有利于提高LED的发光功率和亮度。另一方面，通过在电子传输层107设置缺陷型二维光子晶体即光子晶体二106，利用其光波导效应并发挥其透镜作用，可极大地增强LED发出的光线自LED上表面的出射效果，从而有效地提高LED的光提取效率，亦即LED的外量子效率和发光功率，对于制备大功率量子点LED具有重要意义。
附图说明
图1为具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其中，衬底101、空穴注入层102、光子晶体一103、空穴传输层104、量子点有源区105、光子晶体二106、电子传输层107、电子注入层108；
图2为现有技术制备的量子点LED的层结构示意图，其中，衬底201、空穴注入层202、空穴传输层203、量子点有源区204、电子传输层205、电子注入层206；
图3为反射型光子晶体即光子晶体一103呈周期性三角排布结构的示意图；
图4为缺陷型光子晶体即光子晶体二106呈周期性六边形排布结构的示意图；
图5为缺陷型光子晶体即光子晶体二106呈周期性正方形排布结构的示意图；
图6为缺陷型光子晶体即光子晶体二106呈周期性菱形排布结构的示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明提供的一种具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其构成要素自下而上依次包括：衬底101，空穴注入层102，光子晶体一103，空穴传输层104，量子点有源区105，光子晶体二106，电子传输层107，电子注入层108。
如图3所示，反射型光子晶体即光子晶体一103的结构形式为空气孔型，且呈周期性三角排布结构，其晶格周期为300nm，刻蚀深度为200nm。
如图4、图5、图6所示，缺陷型光子晶体即光子晶体二106的结构形式为空气孔型或介质柱型，呈周期性正方形、菱形或者六边形排布结构中的一种，其晶格周期范围为200～800nm，刻蚀深度为40～200nm。
所述衬底101选用导电性能良好的ZnO材料，厚度为100μm。
所述空穴注入层102选用氧化铟锡(ITO)材料，厚度为150nm。
所述的空穴传输层104，电子传输层107分别为p型掺杂和n型掺杂的ZnO材料，厚度分别为80nm和130nm。
所述的量子点有源区105为包含CdSe/ZnS核壳结构量子点的聚乙烯基咔唑(PVK)薄膜，量子点的平均直径为8nm，量子点有源区厚度为40nm。
所述的电子注入层108选用金属Ag，厚度为200nm。
本发明通过在空穴注入层102内设置反射型二维光子晶体即光子晶体一103，利用其光子禁带效应，可将LED发出的、原本射向衬底101的光线反射回来，从而显著提高LED的光提取效率；同时，由于设置在空穴注入层102的光子晶体一103对于在其后生长的空穴传输层104和量子点有源区105起到了一个图形化衬底的作用，有利于降低各外延层中的缺陷密度，从而可提高LED的内量子效率，最终也有利于提高LED的发光功率和亮度。另一方面，通过在电子传输层107设置缺陷型二维光子晶体即光子晶体二106，利用其光波导效应并发挥其透镜作用，可极大地增强LED发出的光线自LED上表面的出射效果，从而有效地提高LED的光提取效率，亦即LED的外量子效率和发光功率，因此对于制备大功率量子点LED具有重要意义。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
Claims (6)
1.一种具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其特征在于，其自下而上依次包括：衬底(101)，空穴注入层(102)，光子晶体一(103)，空穴传输层(104)，量子点有源区(105)，光子晶体二(106)，电子传输层(107)，电子注入层(108)；该双光子晶体采用的是光子晶体组合，在空穴注入层(102)设置的光子晶体一(103)为反射型光子晶体，在电子传输层(107)设置的光子晶体二(106)为缺陷型光子晶体；该光子晶体组合的光子晶体是二维光子晶体，结构形式为空气孔型或介质柱型；光子晶体一(103)呈周期性三角排布结构，光子晶体二(106)呈周期性正方形、菱形或六边形排布结构。
2.如权利要求1所述的具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其特征在于：所述衬底(101)选用III-V族或II-VI族化合物半导体及其合金的导电材料。
3.如权利要求1所述的具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其特征在于：所述空穴注入层(102)选用氧化铟锡(ITO)材料。
4.如权利要求1所述的具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其特征在于：所述的空穴传输层(104)，电子传输层(107)分别为p型掺杂和n型掺杂的III-V族或II-VI族化合物半导体及其合金。
5.根据权利要求1所述的具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其特征在于：所述的量子点有源区(105)是由II-VI族化合物半导体及其合金组成的单一核或者核壳结构。
6.根据权利要求1所述的具有双光子晶体结构的量子点发光二极管，其特征在于：所述的电子注入层(108)材质为金属Al，Au，Ag，In中的一种或其合金材料。
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