全无机半导体量子点发光二极管及其光谱可控性研究

本项目旨在开发新型高效率全无机量子点LED器件并实现LED的光谱可控性。采用ZnO基薄膜作为LED的电子传输层，重点研制具有优异空穴传输性能的p型CuAlO2与SnO薄膜，替代现有研究中的NiO薄膜作为LED空穴传输层，提高量子点的载流子注入效率与LED的发光效率。同时，采用低成本II-VI族胶体量子点作为LED的发光层，优化量子点的制备工艺与结构设计改进LED的发光效率。另一方面，深入分析量子点LED的电注入发光机理，研究发光光谱与量子点结构之间的内在关联，通过改变发光层中量子点的尺寸与材料组分，实现LED光谱在整个可见光范围内的可控性，研制出红、绿、蓝三基色无机量子点LED。在此基础上通过不同尺寸量子点混合或者量子点－双量子阱复合体系作为发光层，试制无机量子点白光LED器件。本项目的研究内容为国际学术界关注的前沿课题，对推动我国半导体照明与光电显示的基础研究与产业化进展具有重要意义。

本项目采用低成本的热化学合成工艺，制备出高结晶质量、尺寸均匀可控、发光性能优异的II-VI族核壳复合结构量子点材料，包括CdS/ZnS、CdSe/ZnS、CdTe/ZnS等。在此基础上，针对II-VI族量子点的Cd毒性，我们进一步研制出基于III-V/II-VI族集成的InP/ZnS核壳量子点材料。通过控制量子点中InP与ZnS的摩尔比，实现了发光光谱在整个可见光范围内的连续调控。本项目所研制的纳米晶量子点材料光致发光量子效率最高可达70%，同时发光线宽可低达38nm，具有非常优异的发光性能。. 以InP/ZnS量子点为发光层，采用有机载流子传输材料，制备出ITO/PEDOT:PSS/poly-TPD/QDs/TPBi/LiF/Al结构的量子点LED器件，器件呈现出较强白光电致发光，光谱覆盖整个可见光范围，其中红色发光部分来源于InP/ZnS量子点，蓝绿色发光来源于poly-TPD有机层的发光。我们所开发的量子点白光LED器件具有非常优异的显色性能，显色指数（CRI）高达91，发光强度达270 cd/m2。在此基础上，针对有机半导体材料的环境稳定性问题，本项目进一步研究了采用无机氧化物薄膜作为量子点LED的载流子传输层，其中电子传输层选用ZnO薄膜，空穴传输层则研究了多种材料，包括NiO、WO3、MoO3以及CuAlO2薄膜。实验结果表明，MoO3/NiO复合空穴传输层与传统NiO传输层相比，空穴注入效率显著改善，采用复合空穴传输层的量子点LED发光强度提高100倍以上。然而，由于氧化物传输层器件中电子与空穴传输存在不平衡现象，制约了全无机结构量子点器件的发光效率。据此，本项目创新性的提出以ZnO为电子传输层，以WO3/聚三苯胺(poly-TPD)为有机/无机复合空穴传输层，综合有机半导体的高空穴注入效率与无机氧化物的优异稳定性，研制出高效率量子点LED器件，发光强度高达21300cd/m2，光电转换效率达4.4cd/A，开启电压低于3V，器件综合性能达国际先进水平。. 此外，本项目还研究了多种基于宽禁带氧化物基发光器件，包括ZnO纳米阵列/CuAlO2异质结紫外电致发光器件，以及Ga2O3/Si异质结发光器件。. 本项目执行期间发表学术论文13篇，其中SCI收录11篇，申请中国发明专利1项，培养博士研究生2名，硕士研究生3名。