JP2019507499A - 量子収率が増大するよう量子ドットに光および熱を加えるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤチップ上に直接配置された、ダウン・コンバータとして使用する量子ドットフォトルミネセンス量子収率（ＰＬＱＹ）を増大させる方法であって、複数の量子ドットを合成し、複数の量子ドットにエネルギーを加えて当該複数の量子ドットのＰＬＱＹを増大させ、複数の量子ドットをＬＥＤチップ上に付与し、ＬＥＤチップを硬化させることを含む方法。【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれている、２０１６年２月４日に出願された米国仮出願第６２／２９１，３９１号の優先権を主張するものである。

製造直後の量子ドット（ＱＤ）は、合成のための材料から得た未変性の配位子が表面上に残されたままの状態であり、典型的には、低濃度で測定した場合に非常に高いフォトルミネセンス量子収率（ＰＬＱＹ、または単に「量子収率」）を有する。しかし、量子ドットがさらに加工された場合、例えば、量子ドットがダウン・コンバータ成分として使用され得るＬＥＤなどのデバイスに加工された場合、量子収率は典型的には減少する。例えば、ＬＥＤパッケージを製造するための１つの方法によれば、量子ドットが形成され、次いで、安定性のために各量子ドットを封入する絶縁体層が付加される。次いで封入された量子ドットはポリマースラリーに組み込まれ、当該スラリーはＬＥＤデバイスに付与され、硬化される。硬化後には、ＰＬＱＹを測定してもよい。このプロセスにおいて、「増光」工程がない場合、量子ドットの量子収率は、それらをＬＥＤデバイスに組み込む前の量子収率と比べて５０％超も減少し得る。しかし量子収率は、ＬＥＤデバイスの初期動作中の数時間で実質的に回復する。この現象は、ＬＥＤデバイスを受け取る顧客（例えば、ＬＥＤ製造業者）にとって問題となる、即ち、顧客は、量子収率が目標の仕様に到達する前に、ある期間にわたってＬＥＤデバイスを動作させる必要がある。図１２Ａは、異なる流束密度および温度で、最長１０時間までの時間枠における、量子ドットがＬＥＤデバイス内の「バーン・イン（burning in）」によって増光するときのＰＬＱＹ変化のグラフである。量子ドットの他の増光工程は使用しなかった。このような増光は、ＬＥＤデバイスの使用前のバーン・インにかなりの期間を必要とする。図１２Ｂは、積分球を用いて計測した、量子ドット（この場合、使用される量子ドットはスペクトルの赤色部分で放出されたので、赤色光子）を組み込んだＬＥＤデバイスの赤色光子出力の変化のグラフである。これらのデバイスを測定する前に、デバイスを様々な外光流束密度に曝露した（しかし、加熱はしなかった）。その場合、より高い流束密度はより大きい増光の程度をもたらし、加熱は生じなかった。このことは、測定前の外光への曝露が、赤色出力を増大させ、かつ赤色出力測定における過渡現象を減少させることを示す。

量子ドットのＰＬＱＹは種々の条件によって異なり、熱および／または光の存在下で経時的に変化できることを理解されたい。その他の従来技術の解決策としては、量子ドット表面に存在する配位子を変化させ、量子ドットを光学部品に封止することによって、量子ドットの局所環境を保存しかつ光学部品が作製された後の量子収率のさらなるシフトをなくすようにすることが、提案されている。しかし、ＬＥＤチップ上で直接ダウン・コンバータとして使用される量子ドットでは、光学部品に封止することは不可能であり、配位子の修飾は、長期デバイス信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。必要なのは、量子ドットが組み込まれるＬＥＤデバイスを何時間も動作させる必要なしに、量子ドットのＰＬＱＹを改善するための方法である。

ＬＥＤデバイスのＬＥＤチップ上に直接配置された、ダウン・コンバータ用量子ドットといった量子ドットの、フォトルミネセンス量子収率（ＰＬＱＹ）を増大させるための方法および装置について記載する。実施形態は、複数の量子ドットを合成する工程、溶液または粉体の状態で複数の量子ドットを貯蔵する工程、量子ドットおよびポリマーを混合する工程、複数の量子ドットにエネルギーを加えて複数の量子ドットのＰＬＱＹを増大させる工程、量子ドットの混合物をＬＥＤチップ上に付与する工程、および混合物をＬＥＤチップ上で硬化する工程を含む。

本発明の実施形態に係る、絶縁体層で被覆された量子ドットの、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。 本発明の実施形態に係る、量子ドットを封入する絶縁体層を形成する方法を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る、量子ドットを封入する絶縁体層を形成する方法を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る、量子ドットを封入する絶縁体層を形成する方法を示す図である。 本発明の追加の実施形態に係る、量子ドットを封入する絶縁体層を形成する方法を示す図である。 本発明の最後の実施形態に係る、量子ドットを封入する絶縁体層を形成する方法を示す図である。 本発明の実施形態に係る流れ図である。 本発明の実施形態に係る流れ図である。 本発明の実施形態に係る流れ図である。 本発明の実施形態に係る、１つの組成遷移層と対になったナノ結晶質コアおよびナノ結晶質シェルを有する、半導体構造の図である。 本発明の実施形態に係る、ナノ粒子を示す図である。 本発明の実施形態に係る流れ図である。 本発明の実施形態において使用される装置の図である。 粉体状の量子ドット試料を作製するための乾燥プロセスの流れ図である。 図８−１の続きである、粉体状の量子ドット試料を作製するための乾燥プロセスの流れ図である。 硬化しかつＬＥＤチップを表面実装した後と、ＬＥＤデバイスを動作した後（「バーン・イン後」）の量子ドットの増光に対する、ポリマースラリー中で量子ドットを増光したときの、量子収率に関する相関および伝達関数を示す図である。 本発明の実施形態に係る、ＬＥＤ動作中の量子ドットＰＬＱＹの安定性を示す図である。 乾燥粉体状態のときに増光させた量子ドット材料が、本発明の実施形態に係るＬＥＤデバイスの動作と同様のＱＹを、ポリマースラリー中でも維持することを示すグラフである。 ＬＥＤデバイスを「バーン・イン」することによって増光したときの、量子ドットのＰＬＱＹの変化のグラフである。 粉体化量子ドットのＰＬＱＹの変化のグラフである。

本発明の実施形態は、量子ドットの量子収率を実質的に増大させるために、様々な状態の量子ドットに光および／または熱を加えるプロセスに関する。実施形態においては、様々な組成で、様々な表面を有し、固体状または液状の量子ドットを対象とし、量子収率の改善は、ＬＥＤ製造プロセスなどの製造プロセスに組込まれて継続される。

量子ドットは、多くの用途において有益な材料であるが、これらはしばしば、多くの製品、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）または太陽装置、の置かれる環境および動作条件下で、何千時間もの動作に耐えることができない。本発明の実施形態によれば、量子ドットを特定の用途用に堅牢にするために、金属酸化物（例えば、シリカ、チタニア、アルミナなど）の絶縁層で量子ドットの表面を個々に被覆する。絶縁体層を持つ量子ドットの例を、図２Ａ〜２Ｅおよび図３Ａ〜３Ｃに参照しつつ、後述する。しかしこの絶縁層は、金属酸化物の不完全なまたは多孔質の被覆によって、全ての動作条件または環境条件において量子ドットを保護するのに十分ではない可能性がある。金属酸化物またはその他の絶縁材料の別の層を付加することで、表面をさらに保護し、かつ不完全な部分または細孔を充填することにより、量子ドットをより堅牢にし、熱的に安定にすることができる。

さらに、フォトルミネセンスの自己消光、または量子ドット同士もしくは多数の量子ドット間のその他の相互作用がないことを確実にするために、一実施形態では、第１絶縁層は、第２絶縁層の付加を行う前の量子ドットを完全に分散させかつ間隔を空けて配置させる、調節可能なスペーサとして働く。逆ミセル法または類似のプロセスによって金属酸化物絶縁層を付加することにより、個々の量子ドット１００は、十分な材料１１０で被覆されて、図１の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像に見られるような適切な単分散性が確実になり、自己消光が回避される。

本発明の実施形態では、新しい方法を使用して、シリカおよびその他の配位子を含む材料を含む絶縁層でコア／シェル量子ドットを被覆することにより、高いＰＬＱＹ、高い光安定性、および優れた加工性を有する構造体を提供する。絶縁層コーティングは、様々なタイプのゾル・ゲル加工法を使用して付与するが、そのいずれもが、各量子ドットを個々に絶縁層内に封入するものであり、その結果、高性能量子ドット粒子の非常に安定した集団が得られる。

一般的な実施形態では、半導体構造は、第１半導体材料から構成されたナノ結晶質コアを含む。半導体構造は、ナノ結晶質コアを少なくとも部分的に取り囲む、第２の異なる半導体材料から構成されるナノ結晶質シェルも含む。コア／シェル対を取り囲む追加のナノ結晶質シェルが形成されてもよい。絶縁層は、ナノ結晶質シェルおよびナノ結晶質コアを封入する、例えば被覆する。したがって、被覆された半導体構造は、上述の量子ドットなどの被覆構造を含む。例えば、ある実施形態では、ナノ結晶質コアは異方性である、例えば、アスペクト比が１．０超２．０未満である。別の例においては、当該実施形態では、ナノ結晶質コアが異方性であり、ナノ結晶質シェル内では非対称的に配向する。実施形態では、ナノ結晶質コアおよびナノ結晶質シェルが量子ドットを形成する。

いずれの場合にも、絶縁体層は、各ナノ結晶質シェル／ナノ結晶質コア対を個々に封入する。実施形態では、半導体構造はさらにナノ結晶質外部シェルを有し、当該外部シェルは、ナノ結晶質シェルと絶縁体層との間で、ナノ結晶質シェルを少なくとも部分的に取り囲むものである。ナノ結晶質外部シェルは、シェルの半導体材料とは異なり、さらに可能であれば、コアの半導体材料とも異なる、第３の半導体材料から構成される。

上述の被覆されたナノ結晶質コアとナノ結晶質シェルとの対を参照すると、ある実施形態では、絶縁体層がナノ結晶質シェルに直接結合される。１つのそのような実施形態では、絶縁体層は、ナノ結晶質シェルの最外表面を不動態化する。別の実施形態では、絶縁体層は、ナノ結晶質シェルおよびナノ結晶質コアに、絶縁体層の外側の環境に対する浸透性のない障壁を提供する。

上述の被覆されたナノ結晶質コアとナノ結晶質シェルとの対を再び参照すると、ある実施形態では、絶縁体層は、シリカ（ＳｉＯｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、アルミナ（ＡｌＯｘ）、またはハフニア（ＨｆＯｘ）などであるがこれらに限定されない材料の層を含む。このような実施形態の１つでは、当該層は、厚さ約３〜５００ナノメートルのシリカである。１つの実施形態では、絶縁体層は非晶質層である。

上述の被覆されたナノ結晶質コアとナノ結晶質シェルとの対を再び参照すると、ある実施形態では、絶縁体層の外面に配位子がない。しかし別の実施形態では、絶縁体層の外面は、配位子で官能化されている。１つのそのような実施形態では、絶縁体層の外面は、配位子によって、配位子官能化されており、当該配位子は、これに限定されるものではないが、１個もしくは複数の加水分解性基を有するシラン、または官能性もしくは非官能性の二座シランなどの配位子である。別のそのような実施形態では、絶縁体層の外面は、配位子、例えば、３個、２個、または１個の不活性または有機官能性の置換基を有するモノ、ジ、トリアルコキシシランなどで配位子官能化されているが、これらに限定されるものではない。当該有機官能性の置換基は一般式（Ｒ１Ｏ）３ＳｉＲ２、（Ｒ１Ｏ）２ＳｉＲ２Ｒ３、（Ｒ１Ｏ）ＳｉＲ２Ｒ３Ｒ４で表されるものであり、式中、Ｒ１はメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、またはブチルであり、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４は同一または異なり、Ｈ置換基、アルキル、アルケン、アルキン、アリール、ハロゲノ誘導体、アルコール、（モノ、ジ、トリ、ポリ）エチレングリコール、（第２級、第３級、第４級）アミン、ジアミン、ポリアミン、アジド、イソシアネート、アクリレート、メタクリレート、エポキシ、エーテル、アルデヒド、カルボキシレート、エステル、無水物、ホスフェート、ホスフィン、メルカプト、チオール、またはスルホネートであって、直鎖状または環状でもよい置換基、あるいは一般構造（Ｒ１Ｏ）３Ｓｉ−（ＣＨ２）ｎ−Ｒ−（ＣＨ２）ｎ−Ｓｉ（ＲＯ）３で表されるシランであって、式中、ＲおよびＲ１が、Ｈ、またはアルキル、アルケン、アルキン、アリール、ハロゲノ誘導体、アルコール、（モノ、ジ、トリ、ポリ）エチレングリコール、（第２級、第３級、第４級）アミン、ジアミン、ポリアミン、アジド、イソシアネート、アクリレート、メタクリレート、エポキシ、エーテル、アルデヒド、カルボキシレート、エステル、無水物、ホスフェート、ホスフィン、メルカプト、チオール、スルホネートからなる群から選択されるものであって、直鎖状または環状の置換基、あるいはクロロシランまたはアザシランである。

別のそのような実施形態では、絶縁体層の外面は、配位子によって配位子官能化されている。当該配位子は、これらに限定されるものではないが、化学または非化学的相互作用（共有結合、イオン結合、水素結合、またはＶａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ力などであるがこれらに限定されない）によって、シリカ表面に結合するための官能基を持つ有機または無機化合物などである。さらに別のこのような実施形態では、絶縁体層の外面は、メトキシおよびエトキシシランである（ＭｅＯ）３Ｓｉアリル、（ＭｅＯ）３Ｓｉビニル、（ＭｅＯ）２ＳｉＭｅビニル、（ＥｔＯ）３Ｓｉビニル、ＥｔＯＳｉ（ビニル）３、モノ−メトキシシラン、クロロ−シラン、または１，２−ビス−（トリエトキシシリル）エタンなどの配位子によって配位子官能化されるが、これらに限定されるものではない。

いずれの場合にも、実施形態では、絶縁体層の外面が配位子官能化されて、溶解性、分散性、熱安定性、光安定性、またはこれらの組合せを半導体構造に与える。例えば一実施形態では、絶縁体層の外面は、小分子、オリゴマー、ポリマー、または高分子を絶縁体層の外面に連結させる中間リンカーとの反応に適したＯＨ基を含み、この中間リンカーは、エポキシド、カルボニルジイミダゾール、塩化シアヌル、またはイソシアネートなどの１つであるが、これらに限定されるものではない。

上述の被覆されたナノ結晶質コアとナノ結晶質シェルとの対を再び参照すると、実施形態では、ナノ結晶質コアの直径が約２〜６ナノメートルの範囲にある。ナノ結晶質シェルは、長軸および短軸を有し、長軸の長さは約６〜４０ナノメートルの範囲にあり、短軸の長さは、ナノ結晶質コアの直径よりも約１〜１０ナノメートルの範囲内で大きい。絶縁体層の厚さは、長軸と同軸の軸に沿って約１〜５０ナノメートルの範囲にあり、短軸と同軸の軸に沿って約３〜５０ナノメートルの範囲にある。その他の実施形態では、絶縁体層の厚さは、５０ナノメートルよりも大きく、例えば最大５００ナノメートルであってもよい。

照明装置は、発光ダイオードと、例えば発光ダイオードから吸収された光をダウン・コンバートするよう働く複数の半導体構造とを含んでいてもよい。例えば、一実施形態では、各半導体構造は、第１半導体材料から構成されるナノ結晶質コアと、ナノ結晶質コアを少なくとも部分的に取り囲む第２の異なる半導体材料から構成されるナノ結晶質シェルとを有する、量子ドットを含む。各量子ドットのフォトルミネセンス量子収率（ＰＬＱＹ）は、少なくとも９０％である。絶縁体層は、各量子ドットを封入する。

上記にて簡単に述べたように、そして図２Ａに関しては、実施形態２００Ａのように、量子ドットの形成工程２０５は、上述のように実施される。例えば、量子ドットは、少なくとも１つのナノ結晶質シェルおよび異方性ナノ結晶質コアを含む。次いで工程２１０では、絶縁体層を、量子ドット構造を封入するように形成してもよい。例えば、実施形態では、シリカの層を、逆ミセル・ゾル・ゲル反応を使用して形成する。１つのそのような実施形態において、逆ミセル・ゾル・ゲル反応の使用は、工程２１０Ａで、ナノ結晶質シェル／ナノ結晶質コアの対を第１無極性溶媒に溶解して、第１溶液を形成することを含む。その後、工程２１０Ｂで、第１溶液を化学種と共に、第２無極性溶媒に溶解した界面活性剤を含む第２溶液に添加する。当該化学種は、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）、３−メルカプト−トリメトキシシラン、またはホスホン酸官能基もしくはカルボン酸官能基を含むシランなどであるが、これらに限定されない。その後、工程２１０Ｃで、水酸化アンモニウムおよびテトラオルトシリケート（ＴＥＯＳ）を第２溶液に添加する。

このように、本発明に係るシリカで被覆された半導体ナノ結晶は、逆ミセル法などのゾル・ゲル反応によって作製することができる。例として図３Ａは、本発明の実施形態に係る、半導体構造を被覆するための逆ミセル手法における動作を示す。図３ＡのＡ部を参照すると、量子ドット・ヘテロ構造（ＱＤＨ）３０２（例えば、ナノ結晶質コア／シェルの対）は、そこに結合したＴＯＰＯ配位子３０４、ＴＯＰ配位子３０６、およびオレイン酸３０５の１つまたは複数を有する。Ｂ部を参照すると、複数のＴＯＰＯ配位子３０４、ＴＯＰ配位子３０６、およびオレイン酸３０５は、複数のＳｉ（ＯＣＨ３）３（ＣＨ２）３ＮＨ２配位子３０８と交換される。次いで、図３ＡのＣ部に示されるように、Ｂ部の構造を、ＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＥｔ）４）および水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）と反応させて、ＱＤＨ ３０２を取り囲むシリカ・コーティング３１０を形成する。

シリカ前駆体としてケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウムを使用する、無極性溶媒中のシリカ・コーティング。図２Ｂに関しては、実施形態２００Ｂのように、量子ドットの形成工程２０５は、上述のように実施される。量子ドットは、例えば少なくとも１つのナノ結晶質シェルおよび異方性ナノ結晶質コアを含む。次いで工程２１０で、絶縁体層を形成して量子ドット構造を封入する。例えば、実施形態では、逆ミセル・ゾル・ゲル反応を使用してシリカの層を形成する。実施形態２００Ｂによれば、ＴＥＯＳの代わりに、水ガラスとしても公知のケイ酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）を使用して、シリカ・コーティングを調製することができる。ケイ酸ナトリウムである水ガラスは、水に容易に溶解する無機化合物である。水ガラスは、高温および高圧下で、ケイ砂を水酸化ナトリウムおよび／または炭酸ナトリウムと反応させることにより、商業的に合成される。これらの反応物が広く豊富にあり、且つ安価であるとすれば、水ガラスはおそらく最も費用のかからない工業用シリカ源である。一方、極性を有する分子であること（Ｓｉ−ＯおよびＮａ^＋イオンの対）によって水中に容易に溶解し、他方では静電効果に起因して、より大きいシリカ重縮合物の自発的な形成またはゲル化が防止される。さらに、取扱いが容易であり、ＴＥＯＳまたはＴＭＯＳなどのケイ素アルコキシドとは異なって、可燃性の危険が発生しない。標準的な使用および貯蔵の条件下で、長期にわたり化学的に安定でもある。したがって、このタイプの前駆体は、工業規模でシリカ・ゲルを調製するのに重要な利点のほとんどを兼ね備える。

アルコキシド前駆体をベースにしたシリカ・ゲルと同様に、水ガラスのゲル化は、簡単な中和による単一工程のプロセスで、またはより複雑な２工程のプロセス（酸性化／イオン交換およびその後の塩基添加）で、直接誘導することができる。

２工程の水ガラス・プロセスでは、ゲルを調製するのに使用するゾルが、ケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ３）およびそのオリゴマーであるポリケイ酸からなり、これらはケイ酸ナトリウムからのＮａ^＋イオンをＨ^＋と交換することにより生成される。ケイ酸ナトリウム溶液中のナトリウムイオンを除去するには、希薄ケイ酸ナトリウム溶液を、強酸性の陽イオン性イオン交換樹脂（例えば、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ）に通す。未変性ケイ酸ナトリウム溶液のｐＨは１１．５を超えるが、イオン交換樹脂を通過すると、典型的には約２．５の酸性範囲まで降下する。イオン交換工程後、触媒量の塩基、例えば水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）を添加して、ゲル化を誘導する。

実施形態２００Ｂにおいて、工程２１０Ａでは、逆ミセル・ゾル・ゲル反応の使用は、量子ドットを第１無極性溶媒に溶解して第１溶液を形成することを含む。その後、工程２１０Ｂで、第１溶液を化学種と共に、第２無極性溶媒に溶解した界面活性剤を含む第２溶液に添加する。当該化学種は、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）、３−メルカプト−トリメトキシシラン、またはホスホン酸官能基もしくはカルボン酸官能基を含むシランなどであるがこれらに限定されない。その後、工程２１０Ｄで、ケイ酸ナトリウムを第２溶液に添加してゲル形成を開始する。一実施形態では、ゲル形成を容易にするのに適切な値までｐＨを調節するために、酸を添加することができる。別の実施形態では、ケイ酸ナトリウムの代わりにケイ酸カリウムを使用する。さらに別の実施形態では、ケイ酸ナトリウムの代わりにケイ酸リチウムを使用する。別の実施形態では、シランを第１溶液に添加せず、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウムを第２溶液に添加する。

このように、本発明に係るシリカで被覆された半導体量子ドットは、逆ミセル法などのゾル・ゲル反応によって作製することができる。例として、図３Ｂは、本発明の実施形態に係る、半導体構造を被覆するための逆ミセル手法における動作を示す。図３ＢのＡ部を参照すると、量子ドット・ヘテロ構造（ＱＤＨ）３０２（例えば、ナノ結晶質コア／シェルの対）は、そこに結合したＴＯＰＯ配位子３０４、ＴＯＰ配位子３０６、およびオレイン酸３０５の１種または複数種を有する。Ｂ部を参照すると、複数のＴＯＰＯ配位子３０４、ＴＯＰ配位子３０６、およびオレイン酸３０５が、複数のＳｉ（ＯＣＨ３）３（ＣＨ２）３ＮＨ２配位子３０８と交換される。次いで図３ＢのＣ部に示されるように、Ｂ部の構造を、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウムと反応させて、ＱＤＨ ３０２を取り囲むシリカ・コーティング３１０を形成する。

図２Ｃを参照すると、実施形態２００Ｃによれば、量子ドットの形成工程２０５は、上述のように実施される。例えば、量子ドットは、少なくとも１つのナノ結晶質シェルおよび異方性ナノ結晶質コアを含む。次いで工程２１０で、絶縁体層が形成されて、量子ドット構造を封入する。例えば、実施形態では、逆ミセル・ゾル・ゲル反応を使用してシリカ層が形成される。実施形態２００Ｃによれば、工程２１０Ａで逆ミセル・ゾル・ゲル反応を使用することは、第１無極性溶媒に量子ドットを溶解して第１溶液を形成することを含む。その後、工程２１０Ｂで、第１溶液を化学種と共に、第２無極性溶媒に溶解した界面活性剤を含む第２溶液に添加する。当該化学種は、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）、３−メルカプト−トリメトキシシラン、またはホスホン酸官能基もしくはカルボン酸官能基を含むシランなどであるが、これらに限定されない。工程２１０Ｅでは、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウムをケイ酸ナトリウムからのＮａ^＋イオンをＨ^＋とイオン交換することによって、最初に酸性化する。工程２１０Ｆでは、イオン交換された産物と共に水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）を第２溶液に添加して、シリカ被覆を開始する。別の実施形態では、シランを第１溶液に添加せず、酸性化したケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウム、および水酸化アンモニウムを第２溶液に添加する。

このように、本発明に係るシリカで被覆された半導体量子ドットは、逆ミセル法などのゾル・ゲル反応によって作製することができる。例として図３Ｃは、本発明の実施形態に係る、半導体構造を被覆するための逆ミセル手法における動作を示す。図３ＣのＡ部を参照すると、量子ドット・ヘテロ構造（ＱＤＨ）３０２（例えば、ナノ結晶質コア／シェルの対）は、そこに結合したＴＯＰＯ配位子３０４、ＴＯＰ配位子３０６、およびオレイン酸３０５の１種または複数種を有する。Ｂ部を参照すると、複数のＴＯＰＯ配位子３０４、ＴＯＰ配位子３０６、およびオレイン酸３０５は、複数のＳｉ（ＯＣＨ３）３（ＣＨ２）３Ｈ２配位子３０８と交換される。次いで、図３ＣのＣ部に示されるように、Ｂ部の構造を、酸性化したケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウム、および水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）と反応させて、ＱＤＨ ３０２を取り囲むシリカ・コーティング３１０を形成する。

ポリマーで被覆された量子ドットを使用する、無極性溶媒中のシリカ・コーティング。図２Ｄに関しては、実施形態２００Ｄのように、量子ドットの形成工程２０５は、上述のように実施される。量子ドットは、例えば少なくとも１つのナノ結晶質シェルおよび異方性ナノ結晶質コアを含む。次いで、ポリマーに見られる様々な化学組成物および電荷を利用して、工程２１５で量子ドットを最初にポリマーで被覆し、その後、工程２２０でシリカ・コーティングすることができる。一実施形態では、量子ドットは、両親媒性ポリマーで最初に封入することができる。両親媒性ポリマーは、疎水性部分および親水性部分の両方を有するブロック・ポリマーまたは分枝状ポリマーとすることができる。別の実施形態では、量子ドットは、配位子交換を介して親水性ポリマーで被覆することもできる。親水性ポリマーは、ポリアクリル酸、ポリホスホン酸、ポリアリルアミンおよびポリエチレンイミンのようなポリアミン、ポリチオレート、ポリイミジゾール、またはカルボン酸、ホスホン酸、チオール、アミン、および／またはイミジゾールを含有する任意のポリマーとすることができる。

無機絶縁層は、工程２２０で、ポリマーで被覆された量子ドット上に成長させることができる。例えばシリカ・コーティングは、第１溶液中にシランを添加してまたは添加することなく、前駆体としてＴＥＯＳ、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウム、または酸性化金属シリケートを使用して、上述のように無極性溶媒中で、前述のポリマーで被覆された量子ドット上に成長させることができる。

ポリマーで被覆された量子ドットを使用する、極性溶媒中のシリカ・コーティング。図２Ｅに関して、実施形態２００Ｅのように、量子ドットの形成工程２０５は、上述のように実施される。量子ドットは、例えば少なくとも１つのナノ結晶質シェルおよび異方性ナノ結晶質コアを含む。次いで工程２２５で、量子ドットを封入する水溶性ポリマー層を形成して、ポリマーで被覆された量子ドットを作製し、その後、工程２３０でシリカ・コーティングを行う。工程２３０では、水溶性ポリマーで被覆された量子ドットを、極性溶媒または極性溶媒の混合物中で、追加の絶縁体層で被覆することができる。実施形態２００Ｅにおいて、ポリマーで被覆された水溶性量子ドットを水に溶解させる。その後、水酸化アンモニウムおよびテトラオルトシリケート（ＴＥＯＳ）を溶液に添加して、量子ドットの周りのシリカ層を成長させる。

別の実施形態では、ポリマーで被覆された水溶性量子ドットを水に溶解する。その後、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウムを溶液に添加して、量子ドットの周りにシリカ層を成長させる。酸を、反応を加速させるために触媒として添加することもできる。

別の実施形態では、ポリマーで被覆された水溶性量子ドットを水に溶解する。その後、イオン交換されたケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウムを溶液に添加して、量子ドットの周りにシリカ層を成長させる。水酸化アンモニウムなどの塩基も、反応を加速させる触媒として添加される。

別の実施形態では、ポリマーで被覆された水溶性量子ドットを、水およびアルコール（ＭｅＯＨ、ＥｔＯＨ、ＩＰＡ）の混合物に溶解する。その後、水酸化アンモニウムおよびテトラオルトシリケート（ＴＥＯＳ）を溶液に添加して、量子ドットの周りにシリカ層を成長させる。

別の実施形態では、ポリマーで被覆された水溶性量子ドットを、水およびアルコール（ＭｅＯＨ、ＥｔＯＨ、ＩＰＡ）の混合物中に溶解する。その後、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウムを溶液に添加して、量子ドットの周りにシリカ層を成長させる。酸を、反応を加速させる触媒として添加することもできる。

別の実施形態では、ポリマーで被覆された水溶性量子ドットを、水およびアルコール（ＭｅＯＨ、ＥｔＯＨ、ＩＰＡ）の混合物中に溶解する。その後、イオン交換したケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、またはケイ酸リチウムを溶液に添加して、量子ドットの周りにシリカ層を成長させる。水酸化アンモニウムなどの塩基も、反応を加速させる触媒として添加する。

ポリマーで被覆された量子ドットを使用して、極性溶媒中でシリカ層を成長させることに関する上述の全ての実施形態において、適切なシランは、量子ドットの周りのシリカ層の初期成長を容易にするために、通常は水溶性ポリマーの場合とは反対の電荷を有する。

別の態様では、量子ドット複合組成物について記載する。例えば、プラスチックまたはその他の材料をマトリックスとして使用して、複合体が作製されるよう、上述の量子ドット（被覆された量子ドットを含む）をマトリックス材料に埋め込むことができる。実施形態では、フォトルミネセンス量子収率が９０から１００％の間である、マトリックス材料とシリカで被覆されたコア／シェル量子ドットとを含む複合組成物が形成される。そのような量子ドットは、ＬＥＤの適用例でダウン・コンバートするのに適したマトリックス材料に組み込まれていてもよい。

別の実施例では、以下の図４に示されるように、半導体構造は、本発明の実施形態に係る、１つの組成遷移層と対になったナノ結晶質コアおよびナノ結晶質シェルを有する。

図４を参照すると、半導体構造４００は、第１半導体材料から構成されるナノ結晶質コア４０２を含む。ナノ結晶質シェル４０４は、ナノ結晶質コア４０２を少なくとも部分的に取り囲む、第２異なる半導体材料から構成される。組成遷移層４１０は、ナノ結晶質コア４０２とナノ結晶質シェル４０４との間に配置されかつこれらに接触する。組成遷移層４１０は、第１および第２半導体材料の中間の組成を有する。

実施形態では、組成遷移層４１０は、第１および第２半導体材料の混合物から構成される合金層である。別の実施形態では、組成遷移層４１０は組成勾配から構成される傾斜層であり、当該組成勾配は、ナノ結晶質コア４０２に近似した第１半導体材料からナノ結晶質シェル４０４に近似した第２半導体材料に至るものである。いずれの場合も、特定の実施形態では、組成遷移層４１０の厚さは単層のが約１．５〜２倍である。例示的な実施形態は、第１半導体材料がセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）であり、第２半導体材料が硫化カドミウム（ＣｄＳ）であり、組成遷移層４１０がＣｄＳｅｘＳｙ（式中、０＜ｘ＜１および０＜ｙ＜１）であるか、または第１半導体材料がセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）であり、第２半導体材料がセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）であり、組成遷移層４１０がＣｄｘＺｎｙＳｅ（式中、０＜ｘ＜１および０＜ｙ＜１）である、構造４００を含む。

実施形態では、ナノ結晶質シェル４０４は、図４に示されるようにナノ結晶質コア４０２を完全に取り囲む。しかし代替の実施形態では、ナノ結晶質シェル４０４は、ナノ結晶質コア４０２を部分的にのみ取り囲み、ナノ結晶質コア４０２の一部が露出する。さらに、いずれの場合も、ナノ結晶質コア４０２は、ナノ結晶質シェル４０４に対して非対称の向きに配置され得る。１つまたは複数の実施形態では、構造４００などの半導体構造は、ナノ結晶質シェル４０４を少なくとも部分的に取り囲むナノ結晶質外部シェル４０６をさらに含むように作製される。ナノ結晶質外部シェル４０６は、第１および第２半導体材料とは異なる、即ちコア４０２およびシェル４０４の材料とは異なる、第３の半導体材料から構成されてもよい。ナノ結晶質外部シェル４０６は、ナノ結晶質シェル４０４を完全に取り囲んでいてもよく、またはナノ結晶質シェル４０４を部分的にのみ取り囲んで、ナノ結晶質シェル４０４の一部が露出していてもよい。最後に、絶縁体層４０８がシェル４０６を封入する。

別の実施形態では、量子ドットの網状構造は、複数の絶縁体で被覆された量子ドットの絶縁体コーティングと共に融合することによって形成してもよい。例えば、本発明の実施形態によれば、個別の不動態化量子ドットの絶縁体コーティングを共に融合して、実質的に剛性のある量子ドットの網状構造を形成するが、各量子ドットは、融合した絶縁体コーティングによってその網状構造の中のその他の量子ドットから単離されているものである。１つのそのような実施形態では、個別に不動態化された量子ドットの絶縁体コーティングを融合して、融合した網状構造とする方が、個別に不動態化された量子ドットから出発したときと比べて、光学的性能および信頼性が改善された構造を提供できる。１つのそのような実施形態では、複数の量子ドットを取り囲む絶縁体コーティングの融合を可能にすることによって、シリカで被覆された材料の光学性能を改善するように、化学塩基を使用する。特定の実施形態では、絶縁体コーティングがシリカ・コーティングであり、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの塩基は、複数の個々にかつ個別に被覆された量子ドットのシリカ・コーティングを一つに融合するのに使用される。その結果、量子ドットの、実質的に剛性のあるシリカ・ベースの網状構造が得られる。塩基材料の量は、反応におけるシリカの量に合わせて増減される。一般に、本明細書に記載される手法は、絶縁体コーティングを有し、マトリックスに埋め込まれた、量子ドットまたはさらにその他の蛍光体材料の、光学性能および信頼性を改善するための適用例として重要である。１つのそのような実施形態では、量子ドットまたはその他の蛍光体材料は、最初に個々に、１つまたは複数の絶縁体層で被覆され、次いで被覆された材料を融合させて、マトリックスに埋め込むことができる絶縁体網状構造を形成する。その他の実施形態では、絶縁体網状構造を、量子ドットまたはその他の蛍光体材料上に直接形成する。

次いで実施形態では、ＬＥＤ照明および／またはディスプレイ技術用のダウンシフト蛍光材料として、量子ドットとしても公知のコロイド状半導体ナノ結晶を使用することに関し、当該量子ドットは、個々にシリカ絶縁体層で被覆されたものである。シリカ・コーティングの存在は、後でポリマー被膜に埋め込まれ、様々な応力試験に供したときに、量子ドットの性能を改善する。適用例には、ＬＥＤ照明への応用および／またはディスプレイ構成が含まれる。塩基（ＫＯＨ、ＮａＯＨ、またはその他類似の材料など）の使用は、量子ドット材料の光学性能が改善されるよう、シリカで被覆された量子ドットの融合網状構造を提供する。以下に記載されるように、特定の実施形態では、シリカ含量に対するＫＯＨまたはその他の塩基の量の増減は、被覆された／融合された量子ドットの最適な性能が実現されるようにバランスをとる。

実施形態では、半導体構造を製造する方法は、複数の個別の半導体量子ドットを含む混合物の形成を含む。複数の個別の半導体量子ドットのそれぞれは、絶縁体層によって個別に被覆される。方法は、塩基を混合物に添加して、複数の個別の量子ドットのそれぞれの絶縁体層を融合し、絶縁体網状構造を提供することも含む。複数の個別の半導体量子ドットのそれぞれは、絶縁体網状構造により、互いに間隔を空けて配置される。塩基は、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、ＭｇＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｓｒ（ＯＨ）２、Ｂａ（ＯＨ）２、（Ｍｅ）４ＮＯＨ、（Ｅｔ）４ＮＯＨ、または（Ｂｕ）４ＮＯＨを含んでもよいが、これらに限定されるものではない。

別の実施形態では、半導体構造を製造する方法は、複数の個別の半導体量子ドットを含む混合物の形成を含む。複数の個別の半導体量子ドットのそれぞれは、絶縁体材料によって個別に被覆される。方法は、塩基を混合物に添加して、複数の個別のナノ結晶のそれぞれの絶縁体コーティングを融合し、絶縁体網状構造を提供することも含む。複数の個別の半導体量子ドットのそれぞれは、絶縁体網状構造によって、互いに間隔を空けて配置される。塩基は、ＬｉＯＨ、ＲｂＯＨ、ＣｓＯＨ、ＭｇＯＨ、（Ｍｅ）４ＮＯＨ、（Ｅｔ）４ＮＯＨ、または（Ｂｕ）４ＮＯＨを含んでもよいが、これらに限定されるものではなく、塩基を混合物に添加することは、絶縁体材料２モルごとに塩基１モルを添加することを含む。方法は、遊離シリカを混合物に添加することも含む。

別の実施形態では、半導体構造を製造する方法は、複数の個別の半導体量子ドットを含む混合物を形成することを含む。複数の個別の半導体量子ドットのそれぞれは、絶縁体材料によって個別に被覆される。方法は、塩基を混合物に添加して、複数の個別の量子ドットのそれぞれの絶縁体コーティングを融合し、絶縁体網状構造を提供することも含む。複数の個別の半導体量子ドットのそれぞれは、絶縁体網状構造によって互いに間隔を空けて配置される。塩基は、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｓｒ（ＯＨ）２、またはＢａ（ＯＨ）２を含んでもよいが、これらに限定されるものではなく、塩基を混合物に添加することは、絶縁体材料４モルごとに塩基１モルを添加することを含む。方法は、遊離シリカを混合物に添加することも含む。

本明細書の１つまたは複数の実施形態によれば、シード・ロッド・エミッタ機構の発光を調整するためのシードサイズの変更の代替となる例を提供する。より詳細には、シードサイズを変化する代わりに、（一実施形態では）全シードまたは（別の実施形態では）シードの一部分と、より高いバンドギャップ材料とを合金化することによって、シード組成を変化させる。いずれの場合も、概略的な手法は、ヘテロ構造量子ドットのシードまたはナノ結晶質コア部分の合金化と呼ぶことができる。シードまたはナノ結晶質コアを合金化することにより、シードまたはコアのサイズを変化させることなく、バンドギャップを変化させることができる。したがって、シードまたはコアのサイズを変化させることなく、シードまたはコアの発光を変化させることができる。一実施形態では、シードのサイズは、赤色発光シードの最適なサイズまたは概ね４ナノメートルに固定する。サイズを固定することは、量子ドットの発光目標が変化したときに、ロッドのサイズおよびその後の合成作業を必ずしも実質的に再度最適化させるまたは変更する必要がないことを意味する。

したがって本明細書に記載される１つまたは複数の実施形態では、シード・ロッドの最適な物理的寸法は、ヘテロ構造量子ドットの発光ピークを調整しながら、一定なものとして維持される。このことは、各発光色ごとにシード（したがって、ロッド）の寸法を変化させることなく行うことができる。特定の実施形態では、量子ドットは、合金化ＩＩ−ＶＩ族ナノ結晶質コアを含む。量子ドットは、合金化ＩＩ／ＶＩ族ナノ結晶質コアとは異なる半導体材料組成物から構成されるＩＩ−ＶＩ族ナノ結晶質シェルも含む。ＩＩ−ＶＩ族ナノ結晶質シェルは、合金化ＩＩ−ＶＩ族ナノ結晶質コアに結合され、このコアを完全に取り囲む。１つのそのような実施形態では、合金化ＩＩ−ＶＩ族ナノ結晶質コアは、ＣｄＳｅｎＳ１₋ｎ（０＜ｎ＜１）から構成され、ＩＩ−ＶＩ族ナノ結晶質シェルはＣｄＳから構成される。特定の実施形態では、合金化ＩＩ−ＶＩ族ナノ結晶質コアは、約２ナノメートルより長い最短直径を有し、量子ドットの励起ピークは５５５ナノメートル未満である。特定の実施形態では、より詳細に以下に述べるように、合金化ＩＩ−ＶＩ族ナノ結晶質コアは、約４ナノメートルの最短直径を有し、量子ドットの励起ピークは５５５ナノメートル未満である。

おそらくは、より一般的には、１つの実施形態では、量子ドットが任意の組成の半導体ナノ結晶質コアを含む。量子ドットは、任意の数の半導体ナノ結晶質シェルも含む。半導体ナノ結晶質シェルは、半導体ナノ結晶質コアに結合され、このコアを完全に取り囲む。１つのそのような実施形態では、半導体ナノ結晶質コアは、第１のＩＩ−ＶＩ族材料から構成され、２成分半導体ナノ結晶質シェルは、第２の異なるＩＩ−ＶＩ族材料から構成される。１つのそのような実施形態では、第１のＩＩ−ＶＩ族材料がＣｄＳｅｎＳ１₋ｎ（０＜ｎ＜１）であり、第２のＩＩ−ＶＩ族材料がＣｄＳである。

本明細書に記載される１つまたは複数の実施形態は、半導体ヘテロ構造の製造を含む。半導体ヘテロ構造は、半導体材料の群から構成されるナノ結晶質コアを有する。第２の異なる半導体材料から構成されるナノ結晶質シェルは、ナノ結晶質コアを少なくとも部分的に取り囲む。例えば、ナノ結晶質シェルは、異なるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体材料からまたはＩＩ−ＶＩ族半導体材料から構成されてもよい。

１つのそのような実施形態では、上述のナノ結晶質コア／ナノ結晶質シェルの対は、そのフォトルミネセンス量子収率（ＰＬＱＹ）が約６０％よりも大きい。別のまたは同じそのような実施形態では、ナノ結晶質コア／ナノ結晶質シェルの対は、Ｉ型ヘテロ構造を提供する。本明細書に記載される１つまたは複数の実施形態は、全く異なるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族材料コアを有するヘテロ構造系を対象とする。例示的な実施形態では、球またはロッド形状のコア／シェル量子ドットは、コアとシェルとの間に急峻な組成界面を、またはコアとシェルとの間に傾斜／合金化界面を有するように製造する。

図５は、本発明の実施形態に係る、球状ナノ粒子５００の軸方向の断面図（Ａ）を示す。図５を参照すると、合金領域５０６は、粒子５００のコア５０２とシェル５０４との間に含まれる。図５の（Ｂ）部に示されるように、一実施形態では、ナノ粒子５００は、シードのバンドギャップが入れ子型で小さいことに起因して、励起子がナノ結晶５００のコア５０２内で優先的に結合するＩ型ヘテロ構造の挙動を示す。任意選択で、追加のエピタキシャル層または非晶質無機層および有機層を含む、追加の材料層を付加してもよい。その他の適切な実施形態を、以下に記載する。

実施形態において、本明細書に記載されるシステムは、直接バルク・バンド・ギャップが約１〜２．５ｅＶの範囲にあるナノ結晶質コア・エミッタを含む。例示的なコアは、化学量論が約ＡｇＧａＳ２である硫化銀ガリウムをベースにしたＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体材料を含む。１つのそのような実施形態では、ナノ結晶質コアは、約４７５〜５７５ナノメートルの範囲のピーク発光を有する。

１つまたは複数の実施形態では、本明細書に記載されるナノ結晶質コアとナノ結晶質シェルとの対は、約１０％に等しいまたはそれ未満の格子不整合を有する。一部の実施形態では、約６％未満の不整合が好ましいが、最大約１０％までを実用可能とすることができる。特定の実施形態では、不整合は、上手に得られたＣｄベースの系で見られるように、約４％未満の不整合である。

本明細書に記載される１つまたは複数の実施形態は、カドミウムを含まないヘテロ構造コア／シェル対を対象とする。例えば、上述のナノ結晶質コアとナノ結晶質シェルとの対を参照すると、実施形態では、第１（コア）材料がＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族半導体材料である。１つのそのような実施形態では、第２（シェル）半導体材料は、第２のＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族材料である。例えば、適切なＩ−ＩＩＩ−ＶＩ／Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族コア／シェル対は、硫化銅インジウム（ＣＩＳ）／硫化銀ガリウム（ＡｇＧａＳ２）、セレン化銅インジウム（ＣＩＳｅ）／ＡｇＧａＳ２、セレン化銅ガリウム（ＣｕＧａＳｅ２）／硫化銅ガリウム（ＣｕＧａＳ２）、またはＣｕＧａＳｅ２／ＡｇＧａＳ２を含むことができるが、これらに限定されるものではない。別のそのような実施形態では、第２（シェル）半導体材料は、ＩＩ−ＶＩ族材料である。例えば、適切なＩ−ＩＩＩ−ＶＩ／ＩＩ−ＶＩ族コア／シェル対は、硫化銅インジウム（ＣＩＳ）／セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、ＣＩＳ／硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化銅インジウム（ＣＩＳｅ）／ＺｎＳｅ、ＣＩＳｅ／ＺｎＳ、セレン化銅ガリウム（ＣｕＧａＳｅ２）／ＺｎＳｅ、ＣｕＧａＳｅ２／ＺｎＳ、硫化銀ガリウム（ＡｇＧａＳ２）／ＺｎＳ、ＡｇＧａＳ２／ＺｎＳｅ、またはセレン化銀ガリウム（ＡｇＧａＳｅ２）／ＺｎＳ、ＡｇＧａＳｅ２／ＺｎＳｅを含むことができるが、これらに限定されるものではない。

実施形態では、半導体ヘテロ構造はさらに、コアおよびシェル半導体材料とは異なる第３の半導体材料から構成される、ナノ結晶質外部シェルを含む。第３の半導体材料は、ナノ結晶質シェルを少なくとも部分的に取り囲み、一実施形態では、ナノ結晶質外部シェルは、ナノ結晶質シェルを完全に取り囲む。特定の実施形態では、第２（シェル）半導体材料は、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化銀ガリウム（ＡｇＧａＳ２）または硫化銅ガリウム（ＣｕＧａＳ２）などの１つであるがこれらに限定するものではなく、第３の（外部シェル）半導体材料は硫化亜鉛（ＺｎＳ）である。

図４に示される量子ドットのコアの形状は、ロッドの形状であるが、本明細書に記載される方法は、量子ドットの形状に限定されず、球、ロッド、テトラポッド、ドロップ形、シートなどの多数の形状の被覆された量子ドットに適用できることを理解されたい。方法は、量子ドットの組成によって限定されず、単一材料、または多数の材料から作製された量子ドットに適用することができ、多数の材料から作製された量子ドットは、コア／シェル／任意選択のシェル／任意選択のシェル構成もしくは合金化組成物のいずれかである。半導体材料は、ＩＩ−ＶＩ族化合物、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＩＶ−ＩＶ族化合物、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ化合物、またはこれらの任意の合金から選択されてもよい。より詳細には、半導体材料は、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＨｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＳｅ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＴｌＮ、ＴｌＰ、ＴｌＡｓ、ＴｌＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＭｇＯ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、これらの合金、およびこれらの混合物から選択されてもよい。

本発明の実施形態によれば、「増光」工程は、量子ドット粒子が合成されるときと、量子ドットが内部に組み込まれたＬＥＤデバイスが動作するときとの間の、製造プロセスの任意の時点に組み込むことができる。増光工程は、量子ドットのＰＬＱＹまたは量子収率を改善する。図６を参照すると、増光プロセス６００およびその変法例が記載されている。最初に工程６０５では、貯蔵のために、合成直後に量子ドットを溶媒などの溶液中に静置する。量子ドットは、ＬＥＤデバイス製造プロセスのさらなる工程に付される前に、この時点６７０で、熱、光、またはその両方などのエネルギーを加えることによって増光してもよい。時点６７０の後、量子ドットを、工程６１０ａおよび６１５ａでポリマースラリーの１つまたは複数の部分に混合してもよく（例えば、ＬＥＤは２成分ポリマーを必要としてもよい）、工程６２０ａでＬＥＤデバイス内に付与し硬化してもよい。量子ドットは、ポリマースラリー中の時点６２５ａまたは６２５ｂに、または付与後の時点６３０に、またはＬＥＤパッケージをプリント回路板（ＰＣＢ）などの基板上に表面実装する工程６３５の後であり、完成したＬＥＤデバイスを輸送する工程６４５の前に、または時点６４０に増光してもよい。

あるいは、工程６０５の溶液中の量子ドットは、最初に工程６５０で粉体に乾燥してもよい。乾燥プロセスは、工程６１０ｂおよび工程６１０ｂの１種または両方のポリマーに量子ドットを混合する工程に組み込まれ、工程６２０ｂで付与されて硬化される。粉体状の量子ドットは、時点６６０ａまたは６６０ｂでポリマーに混合した後の時点６５５に、ＬＥＤにポリマーを付与して硬化した後の時点６６５に、またはパッケージの表面実装後であり、完成したＬＥＤデバイス６４５の輸送前の時点６４０に、増光してもよい。

図７を参照すると、一実施形態によれば、増光装置７００は、ある範囲の条件下で増光を行う。装置７００は、容器内の温度を制御するのに使用することができる、ホットプレート７０５などの熱源を含む。一実施形態における容器は、ガラス容器７１０である。粉体状の量子ドット７１５は、熱源を使用して量子ドットを増光するために容器内に置かれる。別の実施形態では、溶液中の量子ドットは、量子ドットを増光するための容器内に置かれる。さらにまたは代替として、ＬＥＤ（例えば、青色ＬＥＤ ７２０）などの光源またはＬＥＤのアレイ（図示せず）は、量子ドットを増光するための光を提供する。特定のタイプの熱源または光源を本明細書に開示するが、本発明から逸脱することなく、その他のタイプの熱源または光源を使用してもよいことを理解されたい。一実施形態では、増光温度の範囲は選択することができ、例えば０から２００℃の範囲である。一実施形態では、増光流束密度の範囲を選択することができ、例えば０から１Ｗ／ｃｍ^２の範囲である。一実施形態では、増光持続時間の範囲を選択する、例えば１５分から１００時間の範囲である。一実施形態では、増光温度範囲、増光流束密度範囲、および増光持続時間範囲の様々な組合せを使用してもよい。例えば、一実施形態では、温度１５０℃および流束密度１０Ｗ／ｃｍ^２を、持続時間４８時間にわたって維持し、その後、温度２５℃および流束密度５００ｍＷ／ｃｍ^２を持続時間１００時間にわたって維持して、量子ドットを増光させる。一実施形態では、容器に気体を充填してもよい。代替の実施形態では、容器は真空に維持されてもよい。本明細書に開示される増光条件は例示であり、異なる雰囲気中、真空中、オゾンの存在下（例えば、ＵＶ−オゾン炉）などで増光を実行するなど、僅かにまたは実質的に変更することができることを理解されたい。

図７に示されるものに類似するが、より大きい装置を一実施形態で使用して、量子ドット自体ではなくＬＥＤチップもしくはＬＥＤデバイスまたはそれらのアレイを増光させてもよい。即ち、そのような実施形態における増光は、量子ドットがＬＥＤチップ内に付与された後にまたはＬＥＤチップが基板に表面実装された後に、装置で行われる。一実施形態に係るＬＥＤチップまたはＬＥＤデバイスもしくはアレイの増光は、８時間の期間にわたり、温度１００℃および流束密度１００ｍＷ／ｃｍ^２で行う。

図６参照して既に述べたように、一実施形態では、工程６０５の溶液中の量子ドットを、最初に工程６５０で粉体に乾燥してもよい。乾燥プロセスは、工程６１０ｂおよび工程６１０ｂの１種または両方のポリマーに量子ドットを混合する工程に組み込まれ、工程６２０ｂで付与されて硬化される。図８を参照すると、本発明の実施形態に係る乾燥プロセス８００が示されている。溶液に量子ドット８０１を溶かした試料（多重シェル化Ｒ４産物）を、工程８０２で遠心分離ボトル内に入れ、ボトルおよび試料を工程８０３で計量し、次いで試料を遠心分離機に導入する。次いで試料に、工程８０４で遠心力を掛け、例えば５分間などの期間にわたり２０００相対遠心力（ｒｃｆ）を掛ける。試料を非常に速い速度でスピンさせることにより、溶液の成分に遠心力を掛けると、その結果、より密度の高い材料は回転軸から離れて移行し、それほど密度の高くない材料は回転軸に向かって移動する。高密度材料である量子ドットは、ボトルの底に沈降し、ペレットと呼ばれるものとなり、残りの溶液である上澄みは、廃棄物流中にデカントされる。工程８０５で、ボトルおよび試料を再び計量し、ボトルの蓋を工程８０６で外し、ボトルを工程８０７で炉に移す。一実施形態では、炉を６５℃に予熱する。一実施形態では、炉は真空炉である。真空炉は、工程８０８で密閉され、真空レギュレータを使用して水銀柱１５インチ（ＩｎＨｇ）まで排気する。ここでプロセスは、ペレットの乾燥を開始する準備ができた（ここで乾燥時間はｔ＝０である）。

工程８０９では、窒素ガス（Ｎ２）を、例えば１分当たり１．０標準リットル（ＳＬＰＭ）の体積流量でシステムに供給する。次に工程８０１で零下冷却を行うが、液体窒素（ＬＮ２）の入ったフラスコ、例えば１リットルのＤｅｗａｒフラスコを、工程８１０で冷却トラップ上に置く。冷却トラップは、溶媒蒸気を液体に凝縮し、次いで乾燥プロセスの部分として除去するのに使用する。この技法を凍結乾燥と呼んでもよく、冷却トラップを凝縮機と呼んでもよい。

工程８１１〜８１６ではプロセスの反復部分が続き、工程８１１では凝縮溶液または溶媒の量をトラップでモニタし、工程８１２で凝縮溶媒の量が閾値を超えた場合には、工程８１３で真空へのＮ２の流れを停止し、炉を真空から切り離す。次いで工程８１４で、フラスコを冷却トラップから取り外して温め、工程８１５の時点でトラップを分解し、冷却トラップの内容物を空にして廃棄物流にする。次いで冷却トラップを再び組み立て、システムに一体化するが、これはフラスコを元の凝縮機／冷却トラップ上に配置することを含む。工程８１２では、乾燥プロセスのこの反復部分を、凝縮溶媒のレベルが閾値よりも下がるまで継続し、次いで工程８１７で、プロセスを継続して試料を真空中で乾燥する。一実施形態では、工程８１７で、ｔ＝０（工程８０８で設定）から２時間が経過するまで乾燥を真空中で継続する。

２時間の乾燥が経過した後、一実施形態では、工程８１８で、真空レベルを３０ＩｎＨｇまで増大させる。次いで乾燥を、工程８１９で、３０ＩｎＨｇの真空中で合計乾燥時間が６時間に達するまで、さらにある期間、例えば４時間にわたり継続する。工程８２０で、６時間の乾燥時間が経過した後、窒素ガスの供給を止めて、炉内の真空チャンバを再度加圧し、次いでフラスコをトラップから取り外す。

次いで工程８２１で、試料が入っている遠心分離ボトルを炉から取り出す。一実施形態では、蓋を遠心分離ボトル上に直ぐに置き、試料を室温まで冷ます。次いで冷却トラップを分解し、トラップの内容物を空にして廃棄物流にする。工程８２３のプロセスの最終工程には、ボトルが室温まで冷めたら、工程８０３と同様に、遠心分離ボトル、内容物、蓋を計量することが含まれる。

一貫した量子ドット増光は、設定された期間にわたって量子ドットシステムに熱および／または光が加えられたときに生ずることを理解されたい。一貫した増光のための正確な条件および持続時間は、製造プロセスの必要性または要件ならびにデバイスの最終動作条件に依存する。伝達関数は、デバイス製造プロセスの全体を通して材料の量子収率および波長をモニタし、動作中の一貫した定常の量子収率および波長が得られる増光条件および持続時間を選択することによって、決定することができる。図９は、ＬＥＤチップの硬化および表面実装後の量子ドットの増光、およびＬＥＤデバイスの動作後（「バーン・イン後」）の量子ドットの増光に対する、ポリマースラリー中で量子ドットを増光したときの量子収率に関する相関関係および伝達関数を示す。粉体状の量子ドットを増光したときには、ポリマースラリー中の量子ドットの量子収率と、ＬＥＤデバイスの動作後の量子ドットの量子収率は、互いに数パーセントの範囲内にあるが、量子ドットをＬＥＤデバイスのバーン・イン中にのみ増光した場合には、量子収率は著しく異なる。図１０は、本発明の実施形態に係るＬＥＤ動作中の量子ドットＰＬＱＹ安定性を示す。量子ドットは、その動作前に、粉体状で増光したとき、例えば１５０℃で２４時間増光させたとき、量子収率性能は、動作の開始後にごく僅かしか変化しないことがわかる。例えば図１１は、７５ｍＡ／６０℃でのＬＥＤデバイスの動作に関し、乾燥粉体状態で１５０℃で２４時間の増光に付した量子ドット材料が、ＬＥＤデバイス動作の場合と同じＱＹを、ポリマースラリー中でも維持することを示す。図１１は、増光した量子ドット材料と増光していない量子ドット材料とを比較し、増光は、乾燥粉体状態で生じることを示す。ここでＰＬＱＹは、増光後の様々な時点で測定した。増光は、図７に示される装置を使用して、温度１５０℃および流束密度１００ｍＷ／ｃｍ^２で４８時間にわたり実行した。

Claims (23)

1. 量子ドットのフォトルミネセンス量子収率（ＰＬＱＹ）を増大させる方法であって、
   複数の量子ドットを合成する工程と、
   前記複数の量子ドットのＰＬＱＹを増大させるために、前記複数の量子ドットの加工前、加工中、または加工後に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程と
   を含む、量子ドットのフォトルミネセンス量子収率を増大させる方法。
2. 前記複数の量子ドットをＬＥＤチップ上に付与する工程と、
   前記ＬＥＤチップを硬化する工程と
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の量子ドットを前記ＬＥＤチップ上に付与する工程が、
   前記複数の量子ドットをポリマースラリー中に混合する工程と、
   前記ポリマースラリーを前記ＬＥＤチップ上に付与する工程と
   を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記複数の量子ドットをポリマースラリー中に混合する工程の前に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項３に記載の方法。
5. 前記複数の量子ドットを前記ポリマースラリー中に混合する工程の後に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項３に記載の方法。
6. 前記ポリマースラリーを前記ＬＥＤチップ上に付与した後に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項３に記載の方法。
7. 前記ポリマースラリーが第１部分および第２部分を含み、前記複数の量子ドットをポリマースラリー中に混合する工程が、
   前記複数の量子ドットを前記ポリマースラリーの前記第１部分に混合する工程と、
   前記ポリマースラリーの前記第１部分と混合された前記複数の量子ドットを、前記ポリマースラリーの前記第２部分に混合する工程と
   を含む、請求項３に記載の方法。
8. 前記複数の量子ドットを前記ポリマースラリーの前記第１部分に混合する工程の後であり、前記ポリマースラリーの前記第１部分と混合された前記複数の量子ドットを前記ポリマースラリーの前記第２部分に混合する工程の前に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項７に記載の方法。
9. 前記ＬＥＤデバイスを基板上に表面実装する工程をさらに含み、
   前記基板上に前記ＬＥＤデバイスを表面実装する工程の後に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項２に記載の方法。
10. 前記複数の量子ドットを乾燥して、粉体状の量子ドットを製造する工程さらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記複数の量子ドットを乾燥させる工程の前に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施し、粉体状の量子ドットを製造する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数の量子ドットを前記ＬＥＤチップ上に付与する工程が、
    前記粉体状の量子ドットをポリマースラリー中に混合する工程、および
    前記ポリマースラリーを前記ＬＥＤチップ上に付与する工程
    を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記粉体状の量子ドットを前記ポリマースラリー中に混合する前に、前記粉体状の量子ドットに対して前記エネルギーを加える工程を実施する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記粉体状の量子ドットを前記ポリマースラリー中に混合した後に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項１２に記載の方法。
15. 前記ＬＥＤチップ上に前記ポリマースラリーを付与した後に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項１２に記載の方法。
16. 前記ポリマースラリーが第１部分および第２部分を含み、前記複数の量子ドットをポリマースラリー中に混合する工程が、
    前記複数の量子ドットを前記ポリマースラリーの前記第１部分に混合する工程と、
    前記ポリマースラリーの前記第１部分と混合された前記複数の量子ドットを、前記ポリマースラリーの前記第２部分に混合する工程と
    を含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記粉体状の量子ドットを前記ポリマースラリーの前記第１部分に混合する工程の後であり、前記ポリマースラリーの前記第１部分と混合された前記粉体状の量子ドットを前記ポリマースラリーの前記第２部分に混合する前に、前記粉体状の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ＬＥＤデバイスを基板上に表面実装することをさらに含み、
    前記ＬＥＤデバイスを前記基板上に表面実装する工程の後に、前記複数の量子ドットにエネルギーを加える工程を実施する、請求項１０に記載の方法。
19. 量子ドットのフォトルミネセンス量子収率（ＰＬＱＹ）を増大させる装置であって、
    複数の量子ドットを内部に収容するための容器と、
    前記複数の量子ドットのＰＬＱＹが増大するように、前記容器内に収容された前記複数の量子ドットにエネルギーを加えるエネルギー源と
    を含む装置。
20. 前記複数の量子ドットが、ポリマースラリー中に混合されたものである、請求項１９に記載の装置。
21. 前記ポリマースラリーが、ＬＥＤチップへの付与用である、請求項２０に記載の装置。
22. 前記ＬＥＤチップが基板に表面実装するためのものである、請求項２１に記載の装置。
23. 量子ドットのフォトルミネセンス量子収率（ＰＬＱＹ）を増大させる装置であって、
    粉体状の量子ドットを内部に収容するための容器と、
    前記粉体状の量子ドットのＰＬＱＹが増大するように、前記容器内に収容された前記複数の量子ドットにエネルギーを加えるエネルギー源と
    を含む装置。