專利名稱：硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電致發(fā)光器件，特別是一種在硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件及制備方法。
背景技術(shù)：
硅(Si)是一種重要的半導(dǎo)體集成電路材料，但由于硅是間接帶隙材料，發(fā)光效率低，為了在硅片上實(shí)現(xiàn)光電集成，在過去的幾十年，人們開展了大量硅基發(fā)光材料和器件的研究工作，如在硅襯底上集成III-V族發(fā)光材料，或者制作多孔硅等。硅基近紅外光源有望用于光通訊中，與成熟的CMOS工藝結(jié)合，作為光電子集成甚至全光通訊中的光源。
膠體量子點(diǎn)是一種新型的量子點(diǎn)材料，它是粒徑在納米尺度的晶體粒子，可以采用化學(xué)方法合成得到。因此與傳統(tǒng)的真空生長(zhǎng)得到的量子點(diǎn)不同，膠體量子點(diǎn)的制備不需要考慮與襯底的晶格匹配，因此幾乎可以與任意襯底集成。再者，膠體量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)可以通過控制其粒徑進(jìn)行調(diào)制，因此可以很方便的獲得各個(gè)波長(zhǎng)的發(fā)光。如果將近紅外的膠體量子點(diǎn)與硅材料相結(jié)合，利用膠體量子點(diǎn)不需要考慮晶格匹配、發(fā)光波長(zhǎng)可通過粒徑調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)，以及現(xiàn)有的成熟的CMOS工藝，在硅基上制作出近紅外膠體量子點(diǎn)的發(fā)光光源，將可能為硅基光電子集成、未來光通訊開辟一條新道路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件及制備方法，它的發(fā)光頻率可調(diào)諧，且材料容易獲得，制作成本低廉，工藝簡(jiǎn)單。本發(fā)明提供一種硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件，包括一襯底；一氧化層，該氧化層制作在襯底上，該氧化層為二氧化硅薄膜，其通過分擔(dān)電壓，平衡電子和空穴的注入；—發(fā)光層，該發(fā)光層制作在氧化層上，該發(fā)光層為近紅外發(fā)光的膠體量子點(diǎn)；—電子傳輸層,該電子傳輸層制作在發(fā)光層上,該電子傳輸層可以傳輸電子，提高電子載流子注入效率；—金屬電極,該金屬電極制作在電子傳輸層上，該金屬電極用于向發(fā)光層注入電子;其中所述襯底、氧化層、發(fā)光層、電子傳輸層和金屬電極為平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或?yàn)榧剐尾▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的襯底為凸字形，中間有一凸臺(tái)，所述氧化層、發(fā)光層、電子傳輸層和金屬電極均制作在襯底的凸臺(tái)上。本發(fā)明還提供一種硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件的制備方法，包括如下步驟步驟I :取一襯底；步驟2 :在襯底上制作一氧化層，該氧化層為二氧化硅薄膜，其通過分擔(dān)電壓，平衡電子和空穴的注入；步驟3 :在氧化層上制作發(fā)光層，該發(fā)光層為近紅外發(fā)光的膠體量子點(diǎn)；步驟4 :在發(fā)光層上制作一電子傳輸層,該電子傳輸層可以傳輸電子,提高電子載流子注入效率。步驟5 :在傳輸層上制作一金屬電極，該金屬電極用于向發(fā)光層注入電子。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖I為本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其是顯示在完全硅襯底上的平板結(jié)構(gòu)；
圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其是顯示在SOI襯底上的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I及圖2所示，本發(fā)明提供一種硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件，包括一襯底10，該襯底10的材料為重?fù)诫s的P型或η型完全硅材料，或者為重?fù)诫s的P型或η型SOI材料，重?fù)诫s的硅或SOI電阻率小于25 Ω · cm,該襯底10作為電極向器件注入空穴；一氧化層20，該氧化層20用快速熱氧化法或者高溫低壓氧化法制作在襯底10上，該氧化層20為厚度是l_5nm的二氧化硅薄膜，其通過分擔(dān)電壓，改變襯底硅的費(fèi)米能級(jí)以及發(fā)光層的導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)的位置，來平衡電子和空穴的注入，從而提高載流子在發(fā)光層中的輻射復(fù)合幾率；一發(fā)光層30，該發(fā)光層30是用旋涂方法制作在氧化層20上的膠體量子點(diǎn)，該發(fā)光層30為近紅外發(fā)光的膠體量子點(diǎn)，該發(fā)光層30為發(fā)光波長(zhǎng)是1100-1700nm的近紅外波段的膠體量子點(diǎn)材料；一電子傳輸層40，該電子傳輸層40是采用旋涂工藝或者真空生長(zhǎng)工藝制作在發(fā)光層30上，該電子傳輸層可以傳輸電子，提高電子載流子注入效率，該電子傳輸層40為η型的寬禁帶半導(dǎo)體薄膜；—金屬電極50,該金屬電極50米用電子束蒸發(fā)或者熱蒸發(fā)工藝制作在電子傳輸層40上，該金屬電極50的材料可以為鋁或者銀或者金，厚度為50-500nm之間，該金屬電極50用于向發(fā)光層30注入電子；其中所述襯底10、氧化層20、發(fā)光層30、電子傳輸層40和金屬電極50為平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I (參閱圖I)或?yàn)榧剐尾▽?dǎo)結(jié)構(gòu)2 (參閱圖2)，所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2的襯底10為凸字形，中間有一凸臺(tái)，所述氧化層20、發(fā)光層30、電子傳輸層40和金屬電極50均制作在襯底10的凸臺(tái)上。請(qǐng)參閱圖I及圖2所示，本發(fā)明還提供一種硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件的制備方法，包括如下步驟步驟I :取一襯底10，該襯底10的材料為重?fù)诫s的P型或η型完全硅材料，或者為重?fù)诫s的P型或η型SOI材料,重?fù)诫s的娃電阻率小于25 Ω · cm ；
步驟2 :在襯底10上用快速熱氧化法或者高溫低壓氧化法制作一氧化層20，該氧化層20為二氧化硅薄膜，其通過分擔(dān)電壓，平衡電子和空穴的注入，該氧化層20的厚度為l_5nm ；步驟3 :在氧化層20上制作發(fā)光層30，該發(fā)光層30為近紅外發(fā)光的膠體量子點(diǎn)，該膠體量子點(diǎn)為IV-VI族組合的二元化合物半導(dǎo)體材料(PbS/Se/Te)。制作器件是需要把膠體量子點(diǎn)旋涂在氧化層20上，旋涂轉(zhuǎn)速一般為3000轉(zhuǎn)每分，發(fā)光層30厚度一般在100-500nm之間，發(fā)光波長(zhǎng)為1100_1700nm的近紅外波段步驟4 :在發(fā)光層30上采用旋涂工藝或者真空生長(zhǎng)工藝制作一電子傳輸層40，如果采用旋涂工藝制作，則預(yù)先采用溶膠凝膠的方法制備得到ZnO納米晶體溶液，以3000轉(zhuǎn)每分的速度旋涂。如果采用真空生長(zhǎng)工藝制作，則采用離子束濺射或者磁控濺射法制作得至丨J。該電子傳輸層40可以為ZnO薄膜,厚度一般在20-100nm之間。該電子傳輸層40為η型的寬禁帶半導(dǎo)體薄膜；
步驟5 :在傳輸層40上用電子束蒸發(fā)或者熱蒸發(fā)工藝制作一 50_500nm厚的金屬電極50,該金屬電極50的材料可以為招或者銀或者金,該金屬電極50用于向發(fā)光層30注入電子。其中所述襯底10、氧化層20、發(fā)光層30、電子傳輸層40和金屬電極50為平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I或?yàn)榧剐尾▽?dǎo)結(jié)構(gòu)2，所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2是在制作完成后，采用光刻的方法，去除襯底10上兩側(cè)的氧化層20、發(fā)光層30、電子傳輸層40和金屬電極50，去除的深度到達(dá)襯底10內(nèi)，形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種娃基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件，包括 一襯底； 一氧化層，該氧化層制作在襯底上，該氧化層為二氧化硅薄膜，其通過分擔(dān)電壓，平衡電子和空穴的注入； 一發(fā)光層，該發(fā)光層制作在氧化層上，該發(fā)光層為近紅外發(fā)光的膠體量子點(diǎn)； 一電子傳輸層，該電子傳輸層制作在發(fā)光層上，該電子傳輸層可以傳輸電子，提高電子載流子注入效率； 一金屬電極，該金屬電極制作在電子傳輸層上，該金屬電極用于向發(fā)光層注入電子； 其中所述襯底、氧化層、發(fā)光層、電子傳輸層和金屬電極為平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或?yàn)榧剐尾▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的襯底為凸字形，中間有一凸臺(tái)，所述氧化層、發(fā)光層、電子傳輸層和金屬電極均制作在襯底的凸臺(tái)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件，其中襯底的材料為重?fù)诫s的P型或η型完全硅材料，或者為重?fù)诫s的P型或η型SOI材料，重?fù)诫s的硅電阻率小于 25 Ω · cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件，其中氧化層的厚度為l-5nm的二氧化硅薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件，其中發(fā)光層為發(fā)光波長(zhǎng)是1100_1700nm的近紅外波段的膠體量子點(diǎn)材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件，其中電子傳輸層為η型的寬禁帶半導(dǎo)體薄膜。
6.一種硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件的制備方法，包括如下步驟 步驟I :取一襯底； 步驟2 :在襯底上制作一氧化層，該氧化層為二氧化硅薄膜，其通過分擔(dān)電壓，平衡電子和空穴的注入； 步驟3 :在氧化層上制作發(fā)光層，該發(fā)光層為近紅外發(fā)光的膠體量子點(diǎn)； 步驟4:在發(fā)光層上制作一電子傳輸層，該電子傳輸層可以傳輸電子，提高電子載流子注入效率。
步驟5:在傳輸層上制作一金屬電極，該金屬電極用于向發(fā)光層注入電子。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件的制備方法，其中所述襯底、氧化層、發(fā)光層、電子傳輸層和金屬電極為平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或?yàn)榧剐尾▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在制作完成后，采用光刻的方法，去除襯底上兩側(cè)的氧化層、發(fā)光層、電子傳輸層和金屬電極，去除的深度到達(dá)襯底內(nèi)，形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件的制備方法，其中襯底的材料為重?fù)诫s的P型或η型完全硅材料，或者為重?fù)诫s的P型或η型SOI材料，重?fù)诫s的娃電阻率小于25 Ω · cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件的制備方法，其中氧化層的厚度為l_5nm的二氧化硅薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件的制備方法，其中發(fā)光層為發(fā)光波長(zhǎng)是1100-1700nm的近紅外波段的膠體量子點(diǎn)材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件的制備方法，其中電子傳輸層為η型的寬禁帶半導(dǎo)體薄膜。
全文摘要
一種硅基上的近紅外量子點(diǎn)電致發(fā)光的器件，包括一襯底；一氧化層制作在襯底上，該氧化層為二氧化硅薄膜，其通過分擔(dān)電壓，平衡電子和空穴的注入；一發(fā)光層制作在氧化層上，該發(fā)光層為近紅外發(fā)光的膠體量子點(diǎn)；一電子傳輸層制作在發(fā)光層上，該電子傳輸層可以傳輸電子，提高電子載流子注入效率；一金屬電極制作在電子傳輸層上，該金屬電極用于向發(fā)光層注入電子；其中所述襯底、氧化層、發(fā)光層、電子傳輸層和金屬電極為平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或?yàn)榧剐尾▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的襯底為凸字形，中間有一凸臺(tái)，所述氧化層、發(fā)光層、電子傳輸層和金屬電極均制作在襯底的凸臺(tái)上。本發(fā)明具有發(fā)光頻率可調(diào)諧，且材料容易獲得，制作成本低廉和工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L33/20GK102820391SQ20121030885
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者許興勝, 李成果 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所