[發(fā)明專(zhuān)利]一種半導(dǎo)體量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010729873.1
• 申請(qǐng)日: 2020-07-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111883602B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張立瑤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L31/0352
• 分類(lèi)號(hào): H01L31/0352;H01L31/11;H01L31/18;H01S5/34;H01S5/343;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海申匯專(zhuān)利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根;徐俊

本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)材料及其制備方法。所述材料依次包括襯底，第一層的勢(shì)壘層，勢(shì)阱層，第二層的勢(shì)壘層；所述勢(shì)阱層的材料為GaAsBi QD，勢(shì)壘層和襯底的材料均為GaSb。制備方法為：設(shè)置Ga源、Bi源、Sb源溫度，AsH₃源壓強(qiáng)；在襯底上長(zhǎng)一層勢(shì)壘層；關(guān)閉Sb源，打開(kāi)Ga源、Bi源和AsH₃源，生長(zhǎng)勢(shì)阱層；關(guān)閉Ga源、Bi源和AsH₃源，升溫至550?700℃，在勢(shì)阱層上生長(zhǎng)一層勢(shì)壘層；將溫度降至室溫，生長(zhǎng)結(jié)束。本發(fā)明通過(guò)在GaSb上生長(zhǎng)GaAsBi量子點(diǎn)，形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)Bi組分和量子點(diǎn)尺寸，可獲得覆蓋全紅外光譜區(qū)域的材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種波長(zhǎng)可覆蓋全紅外波段的半導(dǎo)體量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)及其制備方法，屬于半導(dǎo)體光電材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

紅外波段根據(jù)波長(zhǎng)范圍，一般可分為近紅外(1～3μm)、中紅外(3～8μm)、長(zhǎng)波紅外(8～15μm)和遠(yuǎn)紅外(15～1000μm)。每個(gè)波段都具有著其獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。近紅外在光子集成、光通信領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，特別是1.3μm和1.55μm兩個(gè)光纖通信的重要波段，目前主要以InP基和GaAs基材料為主。InP和GaAs基材料，由于其本身禁帶寬度和晶格常數(shù)的限制，難以應(yīng)用至更長(zhǎng)波段；中紅外在環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間通訊、紅外對(duì)抗等方面有著眾多應(yīng)用，目前主要以銻化物材料為主，若要將波長(zhǎng)繼續(xù)紅移，則需要復(fù)雜的銻化物結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)波紅外和遠(yuǎn)紅外在激光成像雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、空間通信、核聚變反應(yīng)等方面有著重要應(yīng)用，目前主要以砷化物和銻化物的量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)及中間帶激光器(ICL)為主。但是QCL和ICL的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，通常由多量子阱結(jié)構(gòu)組成，材料生長(zhǎng)難度較大，要求精細(xì)控制，組分的偏差或者阱寬厚度的偏差極易導(dǎo)致與預(yù)期發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生嚴(yán)重偏離。

近年來(lái)，GaAsBi半導(dǎo)體材料由于其獨(dú)特而重要的材料性能引起國(guó)際上廣泛關(guān)注。人們發(fā)現(xiàn)在GaAs內(nèi)摻入少量Bi元素后材料的禁帶寬度會(huì)降低84-88meV。而且Bi原子的凝入，可以增強(qiáng)母體材料的自旋軌道分裂能，從而抑制激光器中的俄歇復(fù)合效應(yīng)，減小熱消耗。此外人們發(fā)現(xiàn)在GaAs中摻入Bi之后禁帶寬度隨溫度的變化比GaAs小很多，而從目前已有的GaAsBi激光器性能來(lái)看，其發(fā)光波長(zhǎng)隨溫度的變化率是傳統(tǒng)InGaAsP激光器的40％。這些優(yōu)良的材料性質(zhì)吸引著人們利用GaAsBi材料制備高性能激光器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體材料制備紅外激光器與探測(cè)器的材料生長(zhǎng)難度高，不同紅外波段需要采用不同材料結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明首先提供了一種半導(dǎo)體量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)材料，其特征在于，依次包括襯底，第一層的勢(shì)壘層，勢(shì)阱層，第二層的勢(shì)壘層；所述勢(shì)阱層的材料為GaAsBiQD，其中，Bi元素的原子百分含量為0.1-12％，量子點(diǎn)的寬高比為2-20；勢(shì)壘層和襯底的材料均為GaSb。

優(yōu)選地，兩層所述勢(shì)壘層的厚度均為50-200nm。

本發(fā)明還提供了上述半導(dǎo)體量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1)：設(shè)置Ga源溫度為800-1000℃，Bi源溫度為430-500℃，Sb源溫度為500-650℃，AsH₃源壓強(qiáng)為270-350Torr，使得對(duì)應(yīng)的GaAs生長(zhǎng)速率為10-2000nm/h；

步驟2)：在襯底上長(zhǎng)一層勢(shì)壘層；

步驟3)：關(guān)閉Sb源，打開(kāi)Ga源、Bi源和AsH₃源，生長(zhǎng)勢(shì)阱層；

步驟4)：關(guān)閉Ga源、Bi源和AsH₃源，升溫至550-700℃，在勢(shì)阱層上生長(zhǎng)一層勢(shì)壘層；

步驟5)：關(guān)閉所有源料，將溫度降至室溫，生長(zhǎng)結(jié)束。

優(yōu)選地，所述步驟2)中襯底的生長(zhǎng)溫度為600-700℃。