一種具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體光電子器件領域，具體涉及一種具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管。
【背景技術】
[0002]量子點具有量子尺寸限制效應，通過改變量子點的尺寸，可以實現不同波長的發光。基于量子點的發光二極管器件具有色彩飽滿、純度高、單色性佳、顏色可調以及可大規模制備等優點。
[0003]現有技術制備的量子點發光二極管LED通常采用三明治結構，如圖2所示。即含有量子點的薄膜被設置在P型和η型半導體薄膜材料之間，但這種結構的量子點LED與常見的多量子阱LED—樣發光率不高。因為發光效率由內量子效率和光提取效率共同決定，而采用量子點作為有源區，雖然可以將LED的內量子效率提高到一個很高的水平，但光提取效率卻受制于全反射現象依然較低，所以現階段LED研宄人員的努力方向之一就是提高LED的光提取效率。
[0004]近年來，將光子晶體結構應用到LED中，利用光子晶體的光子禁帶效應提高LED出光率的方法受到越來越多研宄者的注目。目前具體采用的方法主要有以下三種:一是在P型材料層或銦錫氧化物(ITO)層表面制作二維光子晶體來提高LED的光提取效率；二是在藍寶石襯底背面制作二維光子晶體，使其起到透鏡的作用，來提高LED底面的光提取效率；三是在藍寶石襯底表面制作二維光子晶體，使其既能發揮圖形化襯底的作用，可提高LED的晶體質量和內量子效率，同時又能發揮光子禁帶效應的作用，提升LED的光提取效率。采用上述將光子晶體結構應用于LED的方法雖然均提高了 LED的出光效率，但其采用的均為單一光子晶體結構。原理上，雙光子晶體結構相較于單一光子晶體結構，可以更有效的增強或者減弱某種波長的光線在其內部傳播的能力，因而若應用于LED將具有更強的提高LED光提取效率的能力。目前為止，在LED中同時設置兩個或者以上光子晶體結構的方法即使在普通的量子阱LED中也極為罕見，更尚未見氣在量子點LED上的應用。因此，對于量子點LED而言，研發采用復數個光子晶體結構來提高LED的光提取效率的技術非常值得期待。
【發明內容】
[0005]發明目的:本發明提供一種具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，通過在空穴注入層設置具有光子禁帶效應的反射型光子晶體即光子晶體一，在電子傳輸層設置具有光子波導效應的缺陷型光子晶體即光子晶體二，可以有效地增強或者減弱某種波長的光線在LED內部傳播的能力，從而顯著提高LED的光提取效率即外量子效率。
[0006]技術方案:為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]—種具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其自下而上依次包括:襯底101，空穴注入層102，在空穴注入層102設置的反射型光子晶體即光子晶體一 103，空穴傳輸層104，量子點有源區105，在電子傳輸層107設置的缺陷型光子晶體即光子晶體二 106，電子傳輸層107，電子注入層108。
[0008]優選的，所述反射型光子晶體即光子晶體一 103的結構形式為空氣孔型或介質柱型，且呈周期性三角排布結構，其晶格周期范圍為200?800nm，刻蝕深度為80?300nmo
[0009]優選的，所述缺陷型光子晶體即光子晶體二 106的結構形式為空氣孔型或介質柱型，呈周期性正方形、菱形或者六邊形排布結構中的一種，其晶格周期范圍為200?800nm，刻蝕深度為40?200nm。
[0010]優選地，所述襯底101選用II1-V族或I1-VI族化合物半導體及其合金的導電材料，尤其是導電性能良好的ZnO材料，厚度為100 μ m?
[0011]優選地，所述空穴注入層102選用氧化銦錫(ITO)材料，厚度為100?500nm。
[0012]優選地，所述的空穴傳輸層104，電子傳輸層107分別為P型摻雜和η型摻雜的II1-V族或I1-VI族化合物半導體及其合金，厚度為50?500nm。
[0013]優選地，所述的量子點有源區105可以是由I1-VI族化合物半導體及其合金組成的單一核或者核殼結構，量子點的平均尺寸為5?20nm，厚度為20?lOOnm。
[0014]優選地，所述的電子注入層108材質為金屬Al，Au，Ag，In中的一種或其合金材料，厚度為100?300nm。
[0015]有益效果:通過在空穴注入層102設置反射型二維光子晶體即光子晶體一 103，利用其光子禁帶效應，可將LED發出的、原本射向襯底101的光線反射回來，從而顯著提高LED的光提取效率；同時，由于設置在空穴注入層102的光子晶體一 103對于在其后生長的空穴傳輸層104和量子點有源區105起到了一個圖形化襯底的作用，有利于降低各外延層中的缺陷密度，從而可提高LED的內量子效率，最終也有利于提高LED的發光功率和亮度。另一方面，通過在電子傳輸層107設置缺陷型二維光子晶體即光子晶體二 106，利用其光波導效應并發揮其透鏡作用，可極大地增強LED發出的光線自LED上表面的出射效果，從而有效地提高LED的光提取效率，亦即LED的外量子效率和發光功率，對于制備大功率量子點LED具有重要意義。
【附圖說明】
[0016]圖1為具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其中，襯底101、空穴注入層102、光子晶體一 103、空穴傳輸層104、量子點有源區105、光子晶體二 106、電子傳輸層107、電子注入層108 ；
[0017]圖2為現有技術制備的量子點LED的層結構示意圖，其中，襯底201、空穴注入層202、空穴傳輸層203、量子點有源區204、電子傳輸層205、電子注入層206 ；
[0018]圖3為反射型光子晶體即光子晶體一 103呈周期性三角排布結構的示意圖；
[0019]圖4為缺陷型光子晶體即光子晶體二 106呈周期性六邊形排布結構的示意圖；
[0020]圖5為缺陷型光子晶體即光子晶體二 106呈周期性正方形排布結構的示意圖；
[0021]圖6為缺陷型光子晶體即光子晶體二 106呈周期性菱形排布結構的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，為本發明提供的一種具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其構成要素自下而上依次包括:襯底101，空穴注入層102，光子晶體一 103，空穴傳輸層104，量子點有源區105，光子晶體二 106，電子傳輸層107，電子注入層108。
[0023]如圖3所示，反射型光子晶體即光子晶體一 103的結構形式為空氣孔型，且呈周期性三角排布結構，其晶格周期為300nm，刻蝕深度為200nm。
[0024]如圖4、圖5、圖6所示，缺陷型光子晶體即光子晶體二 106的結構形式為空氣孔型或介質柱型，呈周期性正方形、菱形或者六邊形排布結構中的一種，其晶格周期范圍為200?800nm，刻蝕深度為40?200nm。
[0025]所述襯底101選用導電性能良好的ZnO材料，厚度為100 μ m。
[0026]所述空穴注入層102選用氧化銦錫(ITO)材料，厚度為150nm。
[0027]所述的空穴傳輸層104，電子傳輸層107分別為p型摻雜和η型摻雜的ZnO材料，厚度分別為80nm和130nmo
[0028]所述的量子點有源區105為包含CdSe/ZnS核殼結構量子點的聚乙烯基咔唑(PVK)薄膜，量子點的平均直徑為8nm，量子點有源區厚度為40nm。
[0029]所述的電子注入層108選用金屬Ag，厚度為200nm。
[0030]本發明通過在空穴注入層102內設置反射型二維光子晶體即光子晶體一 103，利用其光子禁帶效應，可將LED發出的、原本射向襯底101的光線反射回來，從而顯著提高LED的光提取效率；同時，由于設置在空穴注入層102的光子晶體一 103對于在其后生長的空穴傳輸層104和量子點有源區105起到了一個圖形化襯底的作用，有利于降低各外延層中的缺陷密度，從而可提高LED的內量子效率，最終也有利于提高LED的發光功率和亮度。另一方面，通過在電子傳輸層107設置缺陷型二維光子晶體即光子晶體二 106，利用其光波導效應并發揮其透鏡作用，可極大地增強LED發出的光線自LED上表面的出射效果，從而有效地提高LED的光提取效率，亦即LED的外量子效率和發光功率，因此對于制備大功率量子點LED具有重要意義。
[0031]盡管本發明就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本發明的權利要求所限定的范圍，可以對本發明進行各種變化和修改。
【主權項】
1.一種具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于，其自下而上依次包括:襯底(101)，空穴注入層(102)，光子晶體一 (103)，空穴傳輸層(104)，量子點有源區(105)，光子晶體二 (106)，電子傳輸層(107)，電子注入層(108) ο2.如權利要求1所述的具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于:該雙光子晶體采用的是光子晶體組合，在空穴注入層(102)設置的光子晶體一(103)為反射型光子晶體；在電子傳輸層(107)設置的光子晶體二(106)為缺陷型光子晶體。3.如權利要求2所述的具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于:該光子晶體組合的光子晶體是二維光子晶體，結構形式可以為空氣孔型或介質柱型。4.如權利要求2所述的具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于:光子晶體一(103)呈周期性三角排布結構，光子晶體二(106)呈周期型正方形、菱形或六邊形排布結構。5.如權利要求1所述的具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于:所述襯底(101)選用II1-V族或I1-VI族化合物半導體及其合金的導電材料。6.如權利要求2所述的具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于:所述空穴注入層(102)選用氧化銦錫(ITO)材料。7.如權利要求1所述的具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于:所述的空穴傳輸層(104)，電子傳輸層(107)分別為P型摻雜和η型摻雜的II1-V族或I1-VI族化合物半導體及其合金。8.根據權利要求1所述的具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于:所述的量子點有源區(105)是由I1-VI族化合物半導體及其合金組成的單一核或者核殼結構。9.根據權利要求1所述的具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其特征在于:所述的電子注入層(108)材質為金屬Al，Au，Ag，In中的一種或其合金材料。
【專利摘要】一種具有雙光子晶體結構的量子點發光二極管，其自下而上依次包括襯底101，空穴注入層102，在空穴注入層102設置的反射型光子晶體即光子晶體一103，空穴傳輸層104，量子點有源區105，在電子傳輸層107設置的缺陷型光子晶體即光子晶體二106，電子傳輸層107，電子注入層108。本發明的有益效果為：顯著提高LED的光提取效率；提高LED的內量子效率，最終也有利于提高LED的發光功率和亮度。
【IPC分類】H01L33/06, H01L33/16
【公開號】CN104966769
【申請號】CN201510283134
【發明人】張 雄, 吳自力, 崔一平
【申請人】東南大學
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年5月28日