[发明专利]上转换器件和材料及其制造方法

说明书

本公开提供了一种上转换光电子器件，包括，发光层，和光子捕获层，与所述发光层形成闭合回路，用于捕获光子，以驱动所述发光层发射光子，其中，被捕获的光子的能量低于发射的光子的能量。本公开同时提供了上转换材料，以及上转换器件和材料的制造方法。同时，该设计可拓展到下转换形式，捕获高能量的光子，进而转换为低能量。本公开还提供了一种微米级别的上转换器件的制造方法。

技术领域

本公开涉及光电子器件设计技术领域，具体涉及一种微纳米级的上转换器件。

背景技术

光子上转换（Upconversion, UC）是将多个低能光子转换成高能量的光子的过程，即所谓的反斯托克斯（anti-Stokes）发射，该方法在包括生物成像、太阳能收集、红外感应、显示和固态冷却等许多领域中具有广阔的应用场景，因此制备性能良好的上转换发光材料及器件有着十分重大的意义。

目前，最普遍的上转换技术通常依赖于采用稀土元素等所制备的上转换材料。然而，这个过程通常是非线性的，需要高相干性和高激发功率激发光源（通常为激光）激发，发射光的光谱为窄带和多色光谱发射，较低的转换效率（0.001％–1％）和慢响应速度（μs–ms）。此外，基于三重态湮灭机制的上转换材料虽然有着较高的量子产率（> 1％），但是通常易受外接条件影响（例如，氧气等），并且产生反斯托克斯位移具有一定的局限性。另外，其他一些上转换的方法，例如采用物理连接或结合的光电探测器和发光器件，通常采用外部电路或电源来补偿缺少能量差从而获得高增益实现上转换过程。这种设备方案对进一步微型化芯片和电路带来了挑战。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种上转换器件，包括，发光层，以及光子捕获层，与所述发光层形成闭合回路，用于捕获光子，以驱动所述发光层发射光子，其中，被捕获的光子的能量低于发射的光子的能量。

可选地，所述光子捕获层包括至少两个光子捕获子单元，以及在所述光子捕获层包括多个光子捕获子单元的结构情况下，所述光子捕获层还包括隧穿结，用于连接相邻的光子捕获子单元。

可选地，所述发光层包括分布式布拉格反射层。

可选地，所述光子捕获层与所述发光层形成闭合回路包括，所述发光层的负极生长于所述光子捕获层的负极一侧，所述发光层的正极与所述光子捕获层的正极通过导电介质连接。

本公开的另一个方面提供了一种上转换器件的制造方法，包括，制备发光层和光子捕获层，以及连接所述发光层与所述光子捕获层上相对应的电极，形成闭合回路。

可选地，所述光子捕获层包括至少两个光子捕获子单元，以及在所述光子捕获层包括多个光子捕获子单元的结构情况下，所述光子捕获层还包括隧穿结设计，用于连接相邻的光子捕获子单元。

可选地，所述发光层包括分布式布拉格反射层。

可选地，所述制备发光层和光子捕获层包括，在第一基底上以外延生长的方式，制备发光层和光子捕获层，其中，所述发光层的正极与所述光子捕获层的正极相对，或者，所述发光层的负极与所述光子捕获层的负极相对。

可选地，所述连接所述发光层与所述光子捕获层上相对应的电极，形成闭合回路包括，刻蚀所述发光层和光子捕获层，使与所述第一基底相连的电极裸露，以及在所述发光层或所述光子捕获层中与所述第一基底距离最远的电极和与所述第一基底相连的电极上沉积金属，并连接该两个电极，形成闭合回路。

可选地，所述第一基底包括第一牺牲层，用于分离所述第一基底。

可选地，所述制备发光层和光子捕获层包括，在第二基底层上外延生长发光层，以及在第三基底层上外延生长光子捕获层。

可选地，所述第二基底包括有第二牺牲层，用于分离所述第二基底，以及/或者所述第三基底包括层第三牺牲层，用于分离所述第三基底。