高电光耦合效率的硅基片上量子点发光器件及其制备方法

本发明涉及硅基片上光源，尤其涉及一种高电光耦合效率的硅基片上量子点发光器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着光子集成技术的发展，如何实现有效的光源已成为突破技术瓶颈的关键。作为硅光子芯片的核心部件，光源可分为片上光源和片外光源，片上光源避免了片外耦合损耗，实现了高密度集成，在能效方面表现更好。然而，由于硅是间接半导体，自身发光效率低，难以直接利用硅材料制备片上光源，因此直接在硅片上高效发光是突破硅片上光源瓶颈的关键。量子点发光二极管(qled)器件通过电驱动发光，可满足超薄、可柔性、高色域、高对比度的应用需求。然而，现有的qled通常是从透明玻璃衬底出光，平均耦合效率较低，根据已报导的相关数据，器件的平均耦合效率最高只能达到0.8％，qled的输出功率只能达到2nw左右。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术提出的至少一个缺陷，提供一种高电光耦合效率的硅基片上量子点发光器件及其制备方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高电光耦合效率的硅基片上量子点发光器件，其包括硅基片、第一透明绝缘层、氮化硅波导层、第一电极层、空穴传输层、量子点层、电子传输层、第二电极层、第二透明绝缘层；

3、所述硅基片、第一透明绝缘层、氮化硅波导层、第一电极层、空穴传输层、量子点层、电子传输层、第二电极层依次相接；所述第二透明绝缘层与所述第一透明绝缘层相接，并且将所述氮化硅波导层、第一电极层、空穴传输层、量子点层和电子传输层包围；

4、所述第二透明绝缘层上设有至少一个第一凹槽，所述第一电极层的部分通过所述第一凹槽暴露出来；

5、其中，所述第一电极层的厚度为100～200nm；所述第二电极层的厚度为100～200nm；所述空穴传输层的厚度为40～100nm；所述电子传输层的厚度为20～80nm，所述量子点层的厚度为10～30nm。

6、优选地，所述氮化硅波导层的横截面面积小于所述第一透明绝缘层的横截面面积；

7、和/或，所述第一电极层的横截面面积小于所述氮化硅波导层的横截面面积；

8、优选地，所述空穴传输层、量子点层、电子传输层和第二电极层的横截面面积相等，且所述空穴传输层的横截面面积小于所述第一电极层的横截面面积。

9、优选地，所述第一电极层的长轴与所述氮化硅波导层的长轴相垂直。

10、优选地，所述电子传输层的材料包括掺镁氧化锌纳米颗粒、氧化锡、氧化锆、二氧化钛、氧化锌中的至少一种；

11、所述空穴传输层的材料包括聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-(4,4′-(n-(4-仲丁基苯基)二苯胺)]、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺]、4,4-二(9-咔唑)联苯、4,4',4'-三(咔唑-9-基)三苯胺、聚乙烯咔唑中的至少一种；

12、所述第一电极层的材料包括金属al、ag、au以及ito透明导电玻璃中的一种；

13、所述第二电极层的材料包括金属al、ag、au以及ito透明导电玻璃中的一种；

14、所述量子点层的材料包括硫化铅、硫化镉、碲化锌、砷化镓、钙钛矿中的一种；

15、所述第一透明绝缘层和第二透明绝缘层的材料可以包括二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚碳酸脂之中的一种。

16、优选地，所述第一电极层的厚度为100nm；

17、和/或，所述第二电极层的厚度分别为100nm；

18、和/或，所述空穴传输层包括第一传输层和第二传输层，所述第一传输层与所述第一电极层相接，所述第二传输层与所述量子点层相接，所述第一传输层的厚度为90nm，所述第二传输层的厚度为30nm；

19、和/或，所述电子传输层的厚度为50nm；

20、和/或，所述量子点层的厚度为20nm。

21、本发明还提供一种高电光耦合效率的硅基片上量子点发光器件的制备方法，其包括以下步骤：

22、s1、在硅基片上沉积一层第一透明绝缘层；

23、s2、在所述第一透明绝缘层上制作氮化硅波导层，所述氮化硅波导层的横截面面积小于所述第一透明绝缘层的横截面面积；

24、s3、在所述氮化硅波导层上沉积出第一电极层；

25、s4、在所述第一透明绝缘层上沉积一层第二透明绝缘层，所述第二透明绝缘层将所述氮化硅波导层和所述第一电极层遮盖；

26、s5、在所述第二透明绝缘层上刻蚀出第二凹槽，所述第二凹槽贯通至所述第一电极层的上表面；

27、s6、在所述第二凹槽内、所述第一电极层上制作出空穴传输层；

28、s7、在所述第二凹槽内、所述空穴传输层上制作出量子点层；

29、s8、在所述第二凹槽内、所述量子点层上制作出电子传输层；

30、s9、在所述第二凹槽之外、所述电子传输层上制作出第二电极层；

31、s10、在所述第二透明绝缘层上刻蚀出至少一个第一凹槽，所述第一凹槽位于所述第二凹槽的一侧，所述第一电极层通过所述第一凹槽部分暴露出来。

32、优选地，所述步骤s2包括：

33、s21、在所述第一透明绝缘层上制作氮化硅波导基层，所述氮化硅波导基层的横截面面积与所述第一透明绝缘层的横截面面积相等；

34、s22、刻蚀所述氮化硅波导基层的部分边缘区域，所述氮化硅波导基层剩余的部分形成所述氮化硅波导层。

35、优选地，在步骤s4之后，步骤s5之前，还包括步骤s45、将所述第二透明绝缘层的上表面刻蚀为平整的表面。

36、优选地，步骤s1中，在所述硅基片上通过电子束蒸镀沉积所述第一透明绝缘层；

37、和/或，步骤s2中，在所述第一透明绝缘层上通过等离子体气相沉积法制作所述氮化硅波导层；

38、和/或，步骤s3中，在所述氮化硅波导层上通过电子束蒸镀沉积所述第一电极层；

39、和/或，步骤s4中，在所述第一透明绝缘层上通过电子束蒸镀沉积所述第二透明绝缘层；

40、和/或，步骤s5中，在所述第二透明绝缘层上通过湿法刻蚀技术刻蚀出所述第二凹槽；

41、和/或，步骤s6中，在所述第二凹槽内、所述第一电极层上喷墨打印出所述空穴传输层；

42、和/或，步骤s7中，在所述第二凹槽内、所述空穴传输层上喷墨打印出所述量子点层；

43、和/或，步骤s8中，在所述第二凹槽内、所述量子点层上通过电子束蒸镀沉积出所述电子传输层；

44、和/或，步骤s9中，在所述第二凹槽之外、所述电子传输层上通过电子束蒸镀沉积出所述第二电极层。

45、和/或，步骤s10中，在所述第二透明绝缘层上通过湿法刻蚀技术刻蚀出所述至少一个第一凹槽。

46、本发明至少具有以下有益效果：本发明的高电光耦合效率的硅基片上量子点发光器件，将第一电极层、空穴传输层和电子传输层、第二电极层分别设置在量子点层的上下两侧，将量子点层处产生的光源与氮化硅波导层进行耦合，并且对器件各层的厚度进行优化，能够使更多的光能量进入氮化硅波导层，增大出光率，从而实现高效的硅基片上光源。