[发明专利]一种用于通用照明的硅白光发光二极管及其制备方法

说明书

本发明属于硅光技术领域，具体为一种用于通用照明的硅白光发光二极管及其制备方法。本发明使用三乙氧基硅烷作为原材料，通过高温退火、氢氟酸腐蚀、表面改性等步骤制备得到独立的硅纳米晶（Si‑NC），将该硅纳米晶与旋涂玻璃（SOG）混合，并在适当的高温下退火，制成器件的有源层。通过调节退火温度和Si‑NC浓度来调整硅白光发光二极管的色度，使器件发光谱覆盖400nm‑800nm的白光区域。本发明为克服LED照明器件大量消耗稀土元素的问题提供了一种可能的解决方案，具有工艺简单、制备成本低的优势。

技术领域

本发明属于硅光技术领域，具体涉及一种硅白光发光二极管及其制备方法。

背景技术

以发光二极管（LED）为光源的固态照明技术在照明行业中具有广阔的应用前景，同时也降低了全球能源消耗和温室气体排放量。近年来，基于氮化镓的白色发光器件由于其效率高、工作稳定性好、光谱调节范围宽而已成为通用照明的主流光源。然而，生产氮化镓所需的镓元素年产量较低，GaAs晶圆、GaN芯片的生产也需要大量的镓元素，这可能导致氮化镓的供应短缺。此外，为了实现GaN或AlGaN的紫外和蓝光发光向长波段转化，稀土元素被广泛使用以制备高效的白光荧光粉。为了实现未来通用照明的可持续发展，应寻找一种稀土元素的可替代材料。

硅是微电子行业的基础材料，其地壳丰度为27.7%，开发基于硅等丰富元素的通用照明器件势在必行。硅纳米晶（Si-NC）由于具有独特的光学性能、与微电子工艺兼容、生物相容性好，在生物成像、光电器件、纳米催化等很多领域有着巨大的应用潜力。通过控制Si-NC的尺寸、表面改性和掺杂，可以实现对Si-NC发光波长的调控。在过去十年中，基于Si-NC的LED的性能得到了显著提高。镶嵌于二氧化硅中的Si-NC和独立Si-NC都已用于制备LED，其中，独立Si-NC凭借其简便的制备工艺和与有机LED印刷工艺的兼容性吸引了广泛的研究兴趣。通常使用表面改性的Si-NC作为器件发光层，并选取合适的电子传输和空穴传输材料优化器件能级结构。迄今为止，此类型的硅LED最大外量子效率达到8.6%，并且发光波长均大于570nm，处于黄光与红光波段，难以用作普通的照明光源。为此，有研究者通过混合Si-NC中的红色发光成分和有机材料中的蓝绿发光成分来产生白光发射。然而， 在强电流注入下有机成分的不稳定性会损害器件在实际使用中的性能。另一方面，强发光硅纳米晶的合成也是一个关键问题。已有研究表明热处理氢化倍半硅氧烷（HSQ）可以用来实现高效红光发射，但HSQ价格昂贵且对环境要求很高，不适合大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价格低廉且稳定性好的可用于通用照明的硅白光发光二极管及其制备方法。

本发明提出的硅白光发光二极管，其基本结构包括：阴极（Al）、衬底（p型硅）、有源层（Si-NC：SOG）、阳极（ITO）。

本发明中，器件的有源层是一种复合薄膜，具体为嵌入在SOG中的高密度硅纳米晶；

本发明中，白光发射与Si-NC的差异钝化有关，通过调节Si-NC浓度和退火温度可以调整硅白光LED的色度，使器件发光谱覆盖400nm-800nm的白光区域。

本发明提出的硅白光发光二极管的制备方法，具体步骤如下：

（一）硅纳米晶（Si-NC）的合成：

（1）将4-6 mL的三乙氧基硅烷添加到配有磁搅拌子的圆底烧瓶中，在氩气环境中搅拌0.5~1h；

（2）配置HCl溶液，将其缓慢滴加到置于圆底烧瓶底部的三乙氧基硅烷中，形成白色凝胶，在真空中过夜干燥，成为白色固体；

（3）将干燥的白色固体在研钵中进行粗磨后，放于石英坩埚内，将石英坩埚转移至高温管式炉的恒温区内，在氮氢混合气条件下进行高温退火；高温退火的过程如下：将高温管式炉由室温升温至1000℃~1150℃，升温时间为1h~2h，并在此温度下维持60~90min，随后降温2~3h，得到深褐色粉末；