[发明专利]n型GaN作为电子传输层的硅纳米晶LED器件及其制备方法

说明书

本发明属于光电照明技术领域，具体为一种n型GaN作为电子传输层的硅纳米晶LED器件及其制备方法。本发明的硅纳米晶LED器件从上到下依次为：正面电极、电子传输层、硅纳米晶发光层、正面黑硅层、硅衬底、背面电极。本发明利用n‑GaN作为电子传输层；利用硅纳米晶作为发光层，与传统的集成电路工艺相兼容，以较低成本实现发光照明，并且有很高的发光强度，在集成显示中具有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于光电照明技术领域，具体涉及以n-GaN为电子传输层的硅纳米晶LED器件及其制备方法。

背景技术

近年来，氮化镓基发光器件成为主流通用照明光源，因其高效、运行稳定、广泛等优点光谱范围。然而，镓是一种稀有元素，其丰度仅为18ppm，年产量低，以及高功率氮化镓的消耗量激增电子和5G应用可能进一步加速潜在的供应短缺。此外，稀土材料被广泛用作白光发射。因此，未来一般照明的可持续发展要求要减少消耗稀有元素，甚至避免使用这些元素。为了解决这个问题，本发明采用丰富的硅材料作为发光材料，GaN作为电子传输层来制备LED结构，进而为通用照明发展的提供潜在的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种发光强度高、成本低的硅纳米晶LED器件及其制备方法。

本发明提供的硅纳米晶LED器件，采用丰富的硅材料作为发光材料，GaN作为电子传输层，其结构包括从上到下依次排布的：正面电极、电子传输层、硅纳米晶发光层、正面黑硅层、硅衬底、背面电极；其中：

所述硅衬底，采用P型硅；硅片尺寸范围为10×10×0.1mm³～150×150×0.675mm³，掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10²⁰cm-3范围内，电阻率在0.01～1000Ω·cm-1范围内；

所述电子传输层，为Si掺杂GaN(n-GaN)，载流子浓度在1E16～1E19范围内，厚度在1nm～10μm范围内。

本发明中，所述硅纳米晶发光层，由HSQ(hydrogen silsesquioxane)在氮氢混合气(其中氢气体积占比为1％～20％)中经高温(100～1500℃)退火形成。

本发明中：

所述黑硅层，其纳米孔深度在100～2000nm范围内，直径在50～2000nm范围内；

所述正面电极层，其材料包括但不限于ITO等透明导电薄膜，厚度在1～200nm范围内；

所述背面电极，其材料包括但不限于铝、镍、锗、金、银、铜、铂，厚度在1nm～10μm范围内；

本发明还提供上述硅纳米晶LED器件的制备方法，具体步骤为：

(1)在硅衬底上制备正面黑硅层；

(2)在正面黑硅层上制备硅纳米晶层；

(3)在硅纳米晶上制备n-GaN，作为电子传输层；

(4)在硅衬底正面与背面分别制备正面电极、背面电极，并高温退火以形成欧姆接触。

本发明步骤(1)中，所述制备黑硅层的方法为：将硅衬底浸润在氢氟酸、过氧化氢、水的混合溶液中进行腐蚀；腐蚀时间范围5秒～600秒；化学腐蚀中添加有催化剂，所述催化剂选自金属银、金、铂、铜。

本发明步骤(2)中，所述制备硅纳米晶膜层，采用甩胶高温退火的方法，具体是将溶于methylisobutylketone(MIBK)中的HSQ(质量浓度为1％～15％)滴在硅衬底上，用匀胶机甩胶，然后在100～1500℃高温条件下，在氮氢混合气(其中氢气占比1％～20％)中退火10min～10h。