CN108063365A

CN108063365A - 电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法

Info

Publication number: CN108063365A
Application number: CN201711323556.4A
Authority: CN
Inventors: 郑婉华; 刘志爽; 王宇飞
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2018-05-22
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: CN108063365B

Abstract

一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在一衬底刻蚀第一光子晶体结构为激光器提供谐振腔和面发射机制；步骤2：在一负电极上依次制备电子传输层、钙钛矿量子点层、空穴传输层和正电极，形成第一基片；步骤3：将刻蚀有第一光子晶体结构的衬底与第一基片键合，完成制备。本发明能得到结构简单的电泵钙钛矿量子点激光器结构，其能有效地提高钙钛矿量子点在电泵下的外量子效率。

Description

电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法

技术领域

本发明涉及量子点激光器领域，具体来讲，涉及一种电泵浦的钙钛矿量子点激光器的制备方法。

背景技术

钙钛矿材料是指具有钙钛矿晶体结构的一类材料。这类材料化学式为ABX3，A/B/X可以被多种元素替代。钙钛矿材料具有发光光谱窄，颜色纯度与CdSe量子点相当；且发光波长可以通过化学组分和纳米晶体的尺寸调控，发光波长可覆盖整个可见光光谱等优点。

钙钛矿材料成本低。目前有钙钛矿的两种制备方法：1.前体溶液法；前体溶液法的制备过程是首先将钙钛矿的前体以及溶剂混合得到混合液，将混合液旋涂在衬底上，最后退火形成薄膜。2.纳米晶体分散法；纳米晶体分散法的制备过程是，将制备好的胶状钙钛矿纳米晶体通过旋涂法或滴涂法等溶液沉积法形成薄膜。钙钛矿薄膜的两种制备方式都不需要高温，且钙钛矿本身所需的材料成本也不高。

钙钛矿材料量子效率高。以混合钙钛矿材料为例，日前的光物理测量显示，薄膜结构的钙钛矿内量子效率可超过80％，纳米晶体的外量子效率90％，而外量子效率因为耦合等因素限制。目前电泵钙钛矿LED在近红外波段的外量子效率为8.8％，在绿光波段的外量子效率为8.53％，在蓝光波段的外量子效率为1.38％。电泵钙钛矿LED饱受量子效率低的限制。

目前关于钙钛矿激光器的研究主要集中在光泵，光泵的钙钛矿激光器主要采用回音壁模式、DFB、FP腔以及随机激光等谐振腔类型。而电泵的钙钛矿激光器一直没有报道，仅有电泵的钙钛矿LED，且量子效率也仅在8.8％左右。

利用光子晶体作为激光器的谐振腔的做法由来已久，在1999年Noda研究小组就利用二维三角晶格的Γ点的带边模式实现了面发射的电泵激光器(Imada，Chutinan[1])，在n-InP刻蚀光子晶体结构，然后将n型区与含有量子阱的p-InP键合，实现了电泵的面发射激光器。此后基于光子晶体的面发射激光器的研究日渐增多，光子晶体的结构也不仅限制在二维还有一些基于三维的谐振腔(Noda，Tomoda[2])。光子晶体的晶格类型也扩展为三角晶格、四方晶格(Noda，Yokoyama[3])等，这些光子晶体结构也逐渐应用于其他类型的材料。

针对钙钛矿材料的光子晶体激光器至今未见报道，专利文献(授权专利号CN101369715 B)具有光子晶体的构造体和面发射激光器等涉及光子晶体的专利是利用光子晶体的带边模式实现面发射，而光子晶体的微腔或阵列或耦合腔阵列并没有被包含在内，且面发射激光器均未涉及钙钛矿材料以及独有的电注入结构。

专利文献(授权专利号CN101641847 A)提出基于GaN材料的光子晶体激光器，光子晶体层被限制在n型覆层和有源层之间或者p型层和有源层之间。这样的结构并不适合钙钛矿材料。目前对钙钛矿以传输层电子传输层和空穴传输层一般为折射率在1.5-2之间的聚合物，并不适合做光子晶体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，该方法易于实现，能得到结构简单的电泵钙钛矿量子点激光器结构，其能有效地提高钙钛矿量子点在电泵下的外量子效率。

本发明提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底刻蚀第一光子晶体结构为激光器提供谐振腔和面发射机制；

步骤2：在一负电极上依次制备电子传输层、钙钛矿量子点层、空穴传输层和正电极，形成第一基片；

步骤3：将刻蚀有第一光子晶体结构的衬底与第一基片键合，完成制备。

本发明还提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底刻蚀光子第一晶体结构，为激光器提供谐振腔和面发射机制；

步骤2：在一电子传输层上面的一侧依次制备钙钛矿量子点层、空穴传输层和正电极，在电子传输层上面的另一侧制备负电极，形成第二基片；

步骤3：将刻蚀有第一光子晶体结构的衬底与第二基片键合，完成制备。

本发明又提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一负电极上依次制备电子传输层、钙钛矿量子点层、空穴传输层和正电极；

步骤2：刻蚀，在正电极上刻蚀第二光子晶体结构，为激光器提供谐振腔和面发射机制。

本发明再提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤2：刻蚀，在负电极上刻蚀第三光子晶体结构，为激光器提供谐振腔和面发射机制。

步骤1：在一负电极上依次制备电子传输层、钙钛矿量子点层和空穴传输层；

步骤2：刻蚀，在空穴传输层上刻蚀第四光子晶体结构，为激光器提供谐振腔和面发射机制；

步骤3：在刻蚀有光子晶体结构的空穴传输层上制备正电极。

本发明再一次提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一负电极上制备电子传输层；

步骤2：刻蚀，在电子传输层上刻蚀第五光子晶体结构，为激光器提供谐振腔和面发射机制；

步骤3：在刻蚀有光子晶体结构的电子传输层上依次制备钙钛矿量子点层、制备空穴传输层和正电极。

本发明的有益效果是，该方法易于实现，能得到结构简单的电泵钙钛矿量子点激光器结构，其能有效地提高钙钛矿量子点在电泵下的外量子效率。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明第一实施例的制备流程图；

图2是本发明电注入钙钛矿激光器第一实施例截面示意图；

图3是本发明电注入钙钛矿激光器第二实施例截面示意图；

图4是本发明电注入钙钛矿激光器第三实施例截面示意图；

图5是本发明电注入钙钛矿激光器第四实施例截面示意图；

图6是本发明电注入钙钛矿激光器第五实施例截面示意图；

图7是本发明电注入钙钛矿激光器第六实施例截面示意图。

具体实施方式

请参阅图1结合参阅图2所示为本发明第一实施例的流程图及结构图，本发明提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底6刻蚀第一光子晶体结构6’为激光器提供谐振腔和面发射机制，该第一光子晶体结构6’包括不同晶格、不同缺陷腔或阵列或耦合腔阵列的光子晶体以及完整光子晶体或啁啾渐变结构、随机结构；

步骤2：在一负电极5上依次制备电子传输层4、钙钛矿量子点层3、空穴传输层2和正电极1，形成第一基片；

步骤3：将刻蚀有光子晶体或光子晶体阵列的衬底6与第一基片键合，完成制备。

其中衬底6与第一基片或第二基片的结合方式包括直接键合、BCB辅助间接键合或直接生长。光子晶体结构6’和钙钛矿量子点层3距离满足耦合条件；由于共振结构位于有源区下方，钙钛矿量子点层3中载流子复合发出的光子通过电子传输层4和负电极5，在光子晶体结构6’中谐振，最终从正电极1出光。

其中第一基片的制备方式不限于从负电极5开始依次制备；采用从正电极1依次制备空穴传输层2、钙钛矿量子点层3、电子传输层4和负电极5的制备方式也能够得到第一基片与第二基片；目前实验室中常见的第一基片与第二基片的制备方法是从玻璃上依次制备正电极1、空穴传输层2、钙钛矿量子点层3、电子传输层4和负电极5。

请参阅图3所示为本发明第二实施例的结构图，本发明提供电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一衬底6刻蚀光子第一晶体结构6’，为激光器提供谐振腔和面发射机制，该第一光子晶体结构6’包括不同晶格、不同缺陷腔或阵列或耦合腔阵列的光子晶体以及完整光子晶体或啁啾渐变结构、随机结构；

步骤2：在一电子传输层4上面的一侧依次制备钙钛矿量子点3、空穴传输层2和正电极1，在电子传输层4上面的另一侧制备负电极5，形成第二基片；

步骤3：将刻蚀有光子晶体或光子晶体阵列的衬底6与第二基片键合，完成制备。

请参阅图4所示为本发明第三实施例的结构图，本发明提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一负电极5上依次制备电子传输层4、钙钛矿量子点3、空穴传输层2和正电极1；

步骤2：刻蚀，在正电极1上刻蚀第二光子晶体结构1’，为激光器提供谐振腔和面发射机制，该第二光子晶体结构1’包括不同晶格、不同缺陷腔或阵列或耦合腔阵列的光子晶体以及完整光子晶体或啁啾渐变结构、随机结构。

其中光子晶体结构1’和2’位于有源区上方，正电极1采用透明材料ITO、空穴传输层采用透明材料F8，负电极5采用Ag或者Al或者镀膜增加反射；钙钛矿量子点层3中载流子复合发出的光子，在光子晶体结构1’或者2’中谐振，最终从正电极1出光。

请参阅图5所示为本发明第四实施例的结构图，本发明提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤2：刻蚀，在负电极5上刻蚀第二光子晶体结构5’，为激光器提供谐振腔和面发射机制，该第三光子晶体结构5’包括不同晶格、不同缺陷腔或阵列或耦合腔阵列的光子晶体以及完整光子晶体或啁啾渐变结构、随机结构。

其中光子晶体结构5’和4’位于有源区下方，负电极5采用透明材料ITO、电子传输层采用透明材料TpBi，正电极1采用Ag或者Al或者镀膜增加反射；钙钛矿量子点层3中载流子复合发出的光子，在光子晶体结构5’或者4’中谐振，最终从负电极5出光。

请参阅图6所示为本发明第五实施例的结构图，本发明提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一负电极5上依次制备电子传输层4、钙钛矿量子点3和空穴传输层2；

步骤2：刻蚀，在空穴传输层2上刻蚀第四光子晶体结构2’，为激光器提供谐振腔和面发射机制；

步骤3：在刻蚀有光子晶体的空穴传输层2上制备正电极1。

其中光子晶体结构1’和2’位于有源区上方，正电极1采用透明材料ITO、空穴传输层采用透明材料F8，负电极5采用Ag或者Al或者镀膜增加反射；钙钛矿量子点层3中载流子复合发出的光子，在光子晶体结构1’或者2’中谐振，最终从正电极1出光

请参阅图7所示为本发明第六实施例的结构图，本发明提供一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一负电极5上制备电子传输层4；

步骤2：刻蚀，在电子传输层4上刻蚀第五光子晶体结构4’，为激光器提供谐振腔和面发射机制；

步骤3：在刻蚀有光子晶体的电子传输层4上依次制备钙钛矿量子点3、制备空穴传输层2和正电极1。

上述任一实施例所述的电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，其中在正电极1和负电极的材料为Al、Ag或者透明电极ITO。Al、Ag为电泵浦钙钛矿激光器提供反射，光从透明电极ITO输出。

以上所述的具体实施，对本发明目的、技术方案和效果进行了进一步的详细说明，应理解的是，以上所述为本发明的具体实施案例而已，并不是用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所做的任何修改、等同变换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考文件

1.Imada，M.，et al.，Multidirectionally distributed feedback photoniccrystal lasers.Physical Review B，2002.65(19).

2.Noda，S.，et a1.，Full three-dimensional photonic bandgap crystals atnear-infrared wavelengths.Science，2000.289(5479)：p.604-606.

3.Noda，S.，et al.，Polarization mode control of two-dimensionalphotonic crystal laser by unit cell structure design.Science，2001.293(5532)：p.1123-1125.

Claims

1.一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

2.一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

3.一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

4.一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

5.一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤3：在刻蚀有光子晶体结构的空穴传输层上制备正电极。

6.一种电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在一负电极上制备电子传输层；

7.根据权利要求1-6任一项所述的电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，其中第一至第五光子晶体结构包括不同晶格、不同缺陷腔或阵列或耦合腔阵列的光子晶体以及完整光子晶体或啁啾渐变结构、随机结构。

8.根据权利要求1-6任一项所述的电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，其中在正电极和负电极的材料为Al、Ag或者透明电极ITO。

9.根据权利要求1或2所述的电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，其中衬底与第一基片或第二基片的结合方式包括直接键合、BCB辅助间接键合或直接生长。

10.根据权利要求1-6任一项所述的电泵浦钙钛矿量子点激光器的制备方法，其中光子晶体结构的谐振波长与钙钛矿材料的发光波长一致。