微腔调控的全彩阵列化硅基片上LED器件及其制备方法

本发明涉及硅基片上发光器件，尤其涉及一种微腔调控的全彩阵列化硅基片上led器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着集成电路行业的快速发展，硅光子技术是后摩尔时代制造高端硅光子芯片的关键挑战之一。硅光波导耦合器件所使用的光源主要分为外部光源和硅基片上光源，外部光源虽然具有出色的光功率和稳定的温度表现，但由于其与硅芯片耦合时会产生能量损耗从而降低器件的光功率。相比之下，硅基片上光源不仅能够满足新时代硅光子芯片低尺寸、高集成度的需求，并且具有高荧光量子产率、制备简便等优势，被视为新一代硅光子芯片的理想选择。

2、近眼显示技术是一种将图像直接或间接地投射到用户眼前的小型屏幕上，以实现高度沉浸视觉体验的显示技术。现有的近眼显示技术主要包括光学投影、波导技术和全息技术，其中波导和全息技术因其在实现全彩化显示方面的巨大潜力而受到了广泛的关注。基于波导全息光学元件(hoe)这一技术，通过多层结构实现多波长的颜色传输，有效地将虚拟和现实世界的图像相结合。此外，波导全息(wgh)技术因其更紧凑的结构、更高的校准容错性，以及与集成光子学的兼容性，展现了良好的研究前景。然而，现有的wgh技术主要基于光栅衍射原理，多数采用边缘光纤或内置表面发射激光器作为光源，这种方法在设计上复杂，制造要求高，且成本较大。随着近眼显示技术的快速发展，对单片集成的全彩化微型显示单元的需求不断增长，目前研究结构简单、集成度高且具备全彩化的显示器件已成为当务之急。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的至少一个缺陷，提供一种微腔调控的全彩阵列化硅基片上led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：提供一种微腔调控的全彩阵列化硅基片上led器件，其包括硅基片、第一透明绝缘层、氮化硅波导单元、第一电极层、填充单元、第二透明绝缘层；

3、所述硅基片、第一透明绝缘层、氮化硅波导单元、第一电极层和填充单元依次相接；

4、所述氮化硅波导单元包括至少三个沿水平方向间隔分布的氮化硅波导层；

5、所述填充单元的数量为至少三个，至少三个所述填充单元沿水平方向间隔排布，各个所述填充单元与各个所述氮化硅波导层的位置在竖直方向上一一对应；

6、每个所述填充单元包括依次相接的空穴注入层、空穴传输层、发射层、具有电子传输和/或电子注入功能的功能层、第二电极层、第三电极层；其中，所述空穴注入层与所述第一电极层相接，所述空穴注入层、空穴传输层、发射层和功能层被所述第二透明绝缘层包围；所述第二透明绝缘层上设有第一凹槽，所述第一电极层的部分通过所述第一凹槽暴露出来；

7、所述第一电极层为透光电极层，所述第三电极层为不透光电极层；

8、所述第二电极层的厚度为10～140nm，所述第一电极层的厚度为20～50nm各个所述填充单元的所述第二电极层的厚度不相同。

9、优选地，所述发射层为量子点层。

10、优选地，所述量子点层包括红光量子点、绿光量子点和蓝光量子点。

11、优选地，所述第一透明绝缘层和第二透明绝缘层的材料包括二氧化硅、聚酰亚胺、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种；

12、所述第一电极层的材料包括金属al、ag、au、氧化铟锡和氧化铟锌中的至少一种；

13、所述第二电极层的材料包括金属al、ag、au、氧化铟锡和氧化铟锌中的至少一种；

14、所述第三电极层的材料包括金属al、ag、au中的至少一种；

15、所述空穴注入层的材料包括聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸、12-六氮杂苯并菲、酞菁铜、2，3，5，6-四氟-7，7'，8，8'-四氰醌-二甲烷、掺杂的过渡金属氧化物、非掺杂的过渡金属氧化物、掺杂的金属硫化物、非掺杂的金属硫化物中的至少一种；

16、所述空穴传输层的材料包括4，4-二(9-咔唑)联苯、聚乙烯咔唑、聚(9，9-二辛基芴-co-n-(4-丁基苯基)二苯胺)、聚(n，n'双(4-丁基苯基)-n，n'-双(苯基)联苯胺)、聚(9，9-二辛基芴-共-双-n，n-苯基-1，4-苯二胺)、4，4’，4”-三(咔唑-9-基)三苯胺、n，n’-二苯基-n，n’-二(3-甲基苯基)-1，1’-联苯-4，4’-二胺、n，n’-二苯基-n，n’-(1-萘基)-1，1’-联苯-4，4’-二胺、掺杂石墨烯、非掺杂石墨烯、碳60中的至少一种；

17、所述发射层的材料包括荧光粉、钙钛矿材料、量子点材料中的一种，其中，所述荧光粉包括钇铝石榴石荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉中的至少一种；所述钙钛矿材料包括三碘化铅铯、甲胺碘基钙钛矿、甲胺溴基钙钛矿中的至少一种；所述量子点材料包括硒化锌、磷化铟、硒化镉、硫化铅、硫化锌中的至少一种；

18、所述功能层包括电子传输层和/或电子注入层，所述电子传输层的材料包括氧化锌、二氧化钛、氧化铁、氧化锡、五氧化二钽、合金al zno、合金znsno、合金i nsno中的至少一种；所述电子注入层的材料包括碱金属化合物、碱金属醋酸盐、碱金属氟化物中的至少一种。

19、优选地，所述微腔调控的全彩阵列化硅基片上led器件还包括与所述第一透明绝缘层相接的第三透明绝缘层，所述第三透明绝缘层设置在所述第一透明绝缘层上除了被所述氮化硅波导层覆盖的区域以外的其他区域，所述第三透明绝缘层和全部所述氮化硅波导层的上表面齐平，所述第三透明绝缘层和全部所述氮化硅波导层一同界定出预设平面，所述第一电极层设置在所述预设平面上。

20、优选地，所述氮化硅波导层具有长度方向，所述第一电极层也具有长度方向，并且所述氮化硅波导层的长度方向与所述第一电极层的长度方向相垂直。

21、优选地，所述第一电极层的宽度小于所述氮化硅波导层的长度。

22、本发明还提供一种微腔调控的全彩阵列化硅基片上led器件的制备方法，其包括以下步骤：

23、s1、在硅基片上制作第一透明绝缘层；

24、s2、在所述第一透明绝缘层上制作氮化硅波导单元，所述氮化硅波导单元包括至少三个沿水平方向间隔分布的氮化硅波导层；

25、s3、在所述氮化硅波导单元上制作透光的第一电极层；

26、s4、在所述第一电极层上制作第二透明绝缘层，所述第二透明绝缘层将所述第一电极层全部覆盖；

27、s5、在所述第二透明绝缘层上对应所述第一电极层上方的位置刻蚀出第一凹槽，在对应所述氮化硅波导层上方的位置刻蚀出第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽分别贯通至所述第一电极层的上表面；

28、s6、在所述第二凹槽内、所述第一电极层上制作空穴注入层；

29、s7、在所述第二凹槽内、所述空穴注入层上制作空穴传输层；

30、s8、在所述第二凹槽内、所述空穴传输层上制作发射层；

31、s9、在所述第二凹槽内、所述发射层上制作具有电子传输或电子注入功能的功能层；

32、s10、在所述功能层上制作第二电极层；

33、s11、在所述第二电极层上制作不透光的第三电极层。

34、优选地，步骤s2包括以下步骤：s21、在所述第一透明绝缘层上沉积一层氮化硅波导基层，所述氮化硅波导基层的俯视图面积等于所述第一透明绝缘层的俯视图面积；s22、将所述氮化硅波导基层刻蚀掉一部分，所述氮化硅波导基层剩余的部分形成至少三个沿水平方向等距离间隔分布的氮化硅波导层；

35、和/或，步骤s2之后、步骤s3之前还包括步骤s23、在所述第一透明绝缘层上除了被所述氮化硅波导层覆盖的区域以外的其他区域沉积第三透明绝缘层，所述第三透明绝缘层的上表面和全部所述氮化硅波导层的上表面齐平。

36、优选地，当所述发射层为量子点层时，步骤s8包括：选用预设质量比的红光量子点、绿光量子点和蓝光量子点混合在溶剂中，形成rgb混合量子点溶液，将所述rgb混合量子点溶液喷墨打印在空穴传输层上，形成所述发射层。

37、本发明至少具有以下有益效果：透光的第一电极层作为器件的阳极，第二电极层作为器件的阴极，不透光的第三电极层作为器件的反射阴极，第二电极层位于第三电极层和第一电极层之间界定出的微腔之中。通过调节第一电极层和第三电极层之间介电材料(第二电极层)的厚度，可以调节微腔的共振条件，为了保证各层材料厚度的稳定性，改变微腔中第二电极层的厚度使得由微腔顶部电极(第三电极层)反射面和微腔底部电极(第一电极层)反射面反射的光与发射层发出的光之间的相位相匹配，以达到加强特定光波长发光强度的效果，从而提高特定波长的光的出光效率。将第二电极层的厚度设置在10～140nm，能够使得器件出射光的波长范围覆盖到红光波段、蓝光波段和绿光波段，从而实现全彩化的硅基片上电致发光器件。将第一电极层的厚度设置为20～50nm，可以增强阳极的反射作用，即增强有源层所发的光在微腔的两个镜面多次反射而形成的多波束干涉，利用微腔的谐振原理实现更窄的半峰宽度光谱，提高发射光波长颜色的纯度，保证透光率的条件下提高发射光波长颜色的纯度，并且提高角强度分布的稳定性。