一种半导体量子点异质结材料及其制备方法与应用与流程

本发明属于半导体光电材料制备领域，特别涉及一种使室温半导体材料发光光谱明显展宽并以此制备超辐射光源的材料及其制备方法与应用。

背景技术：

随着现代医学技术的进步，人们对于医学诊断技术的无痛无创需求越来越高，常见的医学诊断技术有超声波检查、x射线拍照、核磁共振、电子计算机断层扫描等，有的技术甚至可以实现三维成像，但其空间分辨率往往被限制在数百微米量级上。光学相干层析成像技术是近二十年发展起来的检测技术，通过探测生物体内微弱的背反射光实现生物体内部成像。该技术中采用了宽光谱光源，光源的半峰宽和系统的成像分辨率有密切关系，半峰宽越宽，分辨率越高。目前运用最广泛的是超辐射发光二极管作为光源，其系统分辨率最高可以达到10微米。如果需要达到更高的分辨率，则需要发光峰更宽的光源。

近年来，稀铋半导体材料由于其独特而重要的材料性能引起国际上广泛关注。人们发现在iii-v族材料内掺入少量bi元素后材料的禁带宽度会有效降低，比如在gaas、inas、insb、inp中每加入1％的bi元素，材料的禁带宽度就会降低84-88mev、42-55mev、36mev、106mev，这给人们在材料选择上又多了一种选择。而且bi原子的凝入，可以增强母体材料的自旋轨道分裂能，从而抑制激光器中的俄歇复合效应，减小热消耗。此外人们发现在gaas中掺入bi之后禁带宽度随温度的变化比gaas小很多，而从目前已有的gaasbi激光器性能来看，其发光波长随温度的变化率是传统ingaasp激光器的40％。这些优良的材料性质吸引着人们在稀铋领域内发掘更多的半导体材料。

inpbi材料自2013年首次合成以来，被发现在室温下具有较宽的近红外光致发光特性，是制备超辐射光源的潜力材料。inpbiqd结构，采用量子限制效应，一方面可以提高材料的发光效率，另一方面，可以进一步展宽材料的光谱宽度。是一种更有希望制备高性能超辐射光源的材料结构。

技术实现要素：

鉴于宽光谱光源的应用需求，本发明的目的在于提供一种半导体量子点异质结材料及其制备方法，用于解决现有技术中的半导体材料制成的发光二极管发光波长较短、且光谱范围较窄的问题。

为了达到上述目的，本发明首先提供了一种半导体量子点异质结材料，其特征在于，包括衬底10，至少一层的势垒层20，至少一层的势阱层30，势垒层20设于衬底10之上，势阱层30位于势垒层20之上；势垒层20与势阱层30交替排列；所述衬底的材料为inp、gaas或inas中的一种；所述势阱层的材料为inpbiqd，其中bi元素的原子百分含量为0.1-10％；势垒层的材料为algaas、ingaas或alassb中的一种；

当势垒层的材料为algaas，al元素的原子百分含量为0-100％；

当势垒层的材料为ingaas，ga元素的原子百分含量为0-100％；

当势垒层的材料为alassb、as元素的原子百分含量为0-100％。

本发明还提供了上述半导体量子点异质结材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设置in炉温度为800-1000℃，bi炉温度为430-530℃，al炉温度为950-1050℃，ga炉温度为800-900℃，ph3压强为200-700torr，ash3压强为400-800torr；

步骤2：在inp或gaas或inas衬底上生长一层厚度为50-200nm的al(ga)as或in(ga)as或al(as)sb势垒层材料；

步骤3：将衬底温度降低至220-370℃，在ph3阀门关闭的前提下，打开in炉挡板和bi炉挡板，生长inbi液滴，生长时间为0.1-5min；

步骤4：关闭in炉挡板和bi炉挡板，打开ph3阀门，将ph3的压强设为200-700torr，结晶0.5-3min，关闭in、p、bi源料的快门，结束inpbiqd的生长；

步骤5：周期性重复步骤1～4n次，n为整数，其取值大于等于0，小于等于100；

步骤6：关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所获得的材料发光光谱范围宽，所述的异质结结构可以用常规的分子束外延、金属有机物化学气相沉积和原子层沉积等方法进行生长，操作工艺简单，易控制。

附图说明

图1为本发明的半导体量子点异质结材料结构示意图；其中，10为衬底，20为势垒层20，30为势阱层；

图2为本发明实施例1的半导体量子点异质结材料结构示意图；其中，10为衬底，20为势垒层20，30为势阱层；

图3为本发明实施例4的半导体量子点异质结材料材料示意图；其中，10为衬底，20为势垒层20，30为势阱层；

图4为本发明实施例1的半导体量子点异质结材料所测得的室温光致发光谱。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图1所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，因此图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可随意改变，且其组件布局型态也可更为复杂。

所述的宽光谱材料可以在inp、gaas、inas等衬底上进行生长，inpbiqd中bi元素的原子百分含量可以通过控制in炉温度、bi炉温度、ph3压强进行调控。

请参阅图1所示的inpbiqd结构，其包括衬底10、位于所述衬底10上的势垒层20以及位于所述缓冲层上的inpbiqd层30。

实施例1：bi元素的原子百分比为0.1％的inpbiqd/algaas材料

如图2所示，本实施例提供了一种半导体量子点异质结材料结构，包括衬底10，势垒层20，势阱层30，势垒层20设于衬底10之上，势阱层30位于势垒层20之上；所述衬底的材料为gaas；势阱层的材料为inpbiqd，其中bi元素的原子百分含量为0.1％；势垒层的材料为algaas，al元素的原子百分含量为42％。

其制备方法具体如下：

(1)设置in炉温度为915℃，bi炉温度为430℃，al炉温度为985℃，ga炉温度为850℃，ph3压强为300torr，ash3压强为650torr，所有温度均由热偶测得；

(2)打开al炉、ga炉挡板和ash3阀门，在衬底gaas上生长一层厚为100nm的algaas势垒层，衬底温度为635℃；

(3)关闭al炉、ga炉挡板和ash3阀门，将衬底温度降低至360℃，在ph3阀门关闭的前提下，打开in炉挡板和bi炉挡板，生长inbi液滴，生长时间为0.5min；

(4)关闭in炉挡板和bi炉挡板，打开ph3阀门，将ph3的压强设为600torr，结晶1min；

(5)关闭所有源料的快门，将衬底温度降至室温，生长结束。

图4是实施例1所生长异质结结构在室温下测试所得到的光致发光谱图。由图4可以看出，inpbiqd/algaas异质结材料的光致发光谱发生明显的展宽，且发光强度显著增强。

实施例2：bi元素的原子百分比为5％的inpbiqd/ingaas材料

如图2所示，本实施例提供了一种半导体量子点异质结材料结构，包括衬底10，势垒层20，势阱层30，势垒层20设于衬底10之上，势阱层30位于势垒层20之上；所述衬底的材料为inp；势阱层的材料为inpbiqd，其中bi元素的原子百分含量为5％；势垒层的材料为ingaas，ga元素的原子百分含量为47％。

其制备方法具体如下：

(1)设置in炉温度为915℃，bi炉温度为470℃，ga炉温度为850℃，ph3压强为300torr，ash3压强为650torr，所有温度均由热偶测得；

(2)打开in炉、ga炉挡板和ash3阀门，生长一层厚为100nm的ingaas，衬底温度为525℃；

(3)关闭in炉、ga炉挡板和ash3阀门，将衬底温度降低至320℃，在ph3阀门关闭的前提下，打开in炉挡板和bi炉挡板，生长inbi液滴生长时间为1min；

(4)关闭in炉挡板和bi炉挡板，打开ph3阀门，将ph3的压强设为500torr，结晶1min；

(5)关闭所有源料的快门，将衬底温度降至室温，生长结束。

实施例3：bi元素的原子百分比为10％的inpbiqd/alassb材料

如图2所示，本实施例提供了一种半导体量子点异质结材料结构，包括衬底10，势垒层20，势阱层30，势垒层20设于衬底10之上，势阱层30位于势垒层20之上；所述衬底的材料为inas；势阱层的材料为inpbiqd，其中bi元素的原子百分含量为10％；势垒层材料为alassb，as元素的原子百分含量为53％。

其制备方法具体如下：

(1)设置in炉温度为915℃，bi炉温度为520℃，al炉温度为1000℃，sb炉温度为750℃，ph3压强为300torr，ash3压强为650torr，所有温度均由热偶测得；

(2)打开al炉、sb炉挡板和ash3阀门，生长一层厚为100nm的alassb，衬底温度为410℃；

(3)关闭al炉、sb炉挡板和ash3阀门，将衬底温度降低至270℃，在ph3阀门关闭的前提下，打开in炉挡板和bi炉挡板，生长inbi液滴生长时间为2min；

(4)关闭in炉挡板和bi炉挡板，打开ph3阀门，将ph3的压强设为650torr，结晶3min；

(5)关闭所有源料的快门，将衬底温度降至室温，生长结束。

实施例4：bi元素的原子百分比为2％的3层inpbiqd/algaas堆叠结构

如图3所示，本实施例提供了一种半导体量子点异质结材料，其特征在于，包括衬底10，3层的势垒层20，3层的势阱层30，势垒层20设于衬底10之上，势阱层30位于势垒层20之上；势垒层20与势阱层30交替排列；所述衬底的材料为gaas；势阱层材料为inpbiqd，其中bi元素的原子百分含量为2％；势垒层材料为algaas，al元素的原子百分含量为60％。

其制备方法具体如下：

(1)设置in炉温度为915℃，bi炉温度为450℃，al炉温度为985℃，ga炉温度为850℃，ph3压强为300torr，ash3压强为650torr，所有温度均由热偶测得；

(2)打开al炉、ga炉挡板和ash3阀门，生长一层厚为100nm的algaas，衬底温度为635℃；

(3)关闭al炉、ga炉挡板和ash3阀门，将衬底温度降低至360℃，在ph3阀门关闭的前提下，打开in炉挡板和bi炉挡板，生长inbi液滴生长时间为0.5min；

(4)关闭in炉挡板和bi炉挡板，打开ph3阀门，结晶1min，关闭ph3阀门；

(5)重复(2)-(5)步骤2次；

(6)关闭所有源料的快门，将衬底温度降至室温，生长结束。

本发明通过在al(ga)as、in(ga)as、al(as)sb上生长inpbiqd形成全新的inpbiqd异质结材料，获得室温下短波红外区域光致发光谱波长覆盖范围极宽的材料。此inpbiqd异质结材料可采用常规分子束外延、金属有机物化学气相沉积等多种方法进行生长，结构和操作工艺简单，易于控制。

综上所述，本发明获得了室温下近红外区域光致发光谱波长覆盖范围极宽的新型材料，有效克服了现有技术中的种种缺点，具高度产业利用价值。