CN101752482A - 宽光谱自组织量子点材料的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电子材料技术领域，公开了一种宽光谱自组织量子点材料的生长方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上制作介质掩模图形；步骤2：在制作有介质掩模图形的衬底上依次生长量子点缓冲层材料、量子点层材料及量子点盖层材料。本发明是在衬底上制作宽度或掩模间距周期性由大到小逐渐变化的介质掩模，介质掩模宽度大或间距小的掩模间衬底部分量子点尺寸大发光波长长，而介质掩模宽度小或间距大的掩模间衬底表面量子点尺寸小发光波长短，连续变化的掩模宽度/间距对量子点的发光具有连续的调制作用，结合量子点固有的光谱非均匀展宽效应，能够得到宽光谱量子点材料。

Description

宽光谱自组织量子点材料的生长方法
技术领域
本发明涉及光电子材料技术领域，特别涉及一种宽光谱自组织量子点材料的生长方法。
背景技术
超辐射发光二极管在光纤陀螺/结构传感器及光时域反射仪等方面有着重要的应用。在这些应用中要求二极管光源具有高的输出功率和宽光谱带宽。由于采用自组织方法生长的量子点的基态发光具有不可避免的非均匀展宽效应，量子点材料的发光光谱自然具有比量子阱材料宽的带宽，使得量子点材料更适合于用作超辐射发光二极管有源区材料。为了进一步增加量子点材料的光谱宽度，人们开发了多种技术，包括非对称量子点对，将量子点生长在成分变化的量子阱中等。虽然这些方法在一定程度上扩展了量子点光谱宽度，但生长过程较为复杂，不利于材料质量的稳定控制。
近年来，在量子点生长中引入选择区域外延技术得到越来越多的关注。通过在衬底上制作不同尺寸的长方形介质掩模，在不同尺寸掩模间的区域生长的量子点尺寸也不同，从而在同一衬底的不同区域得到不同发光波长的量子点材料。该技术已经成功的应用于多波长量子点激光器及量子点激光器于波导集成器件的制作中。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种宽光谱自组织量子点材料的生长方法，将选择区域外延技术应用于自组织量子点生长，通过使用宽度或间距逐渐变化的介质掩模对量子点材料的发光波长在空间上进行调制，结合量子点材料自身的宽光谱特性，获得适合于超辐射发光二极管应用的宽光谱量子点材料。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种宽光谱自组织量子点材料的生长方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制作介质掩模图形；
步骤2：在制作有介质掩模图形的衬底上依次生长量子点缓冲层材料、量子点层材料及量子点盖层材料。
上述方案中，步骤1中所述衬底是III～V、II～VI族材料衬底，所述衬底是GaAs衬底，或是InP衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底。
上述方案中，步骤1中所述介质掩模图形是成对出现的，介质掩模图形的掩模宽度或掩模间距是呈周期性由大到小逐渐变化的，介质掩模的厚度为10～300nm，材料为SiO2或Si3N4。
上述方案中，所述介质掩模宽度大或间距小的掩模间衬底部分量子点尺寸大发光波长长，连续变化的掩模宽度或间距对量子点的发光具有连续的调制作用，结合量子点固有的光谱非均匀展宽效应，能够得到宽光谱量子点材料。
上述方案中，在每个周期中，所述介质掩模图形掩模宽度小于最大宽度一半的部分所占比例大于50％。
上述方案中，所述介质掩模图形周期为n，n为自然数。
上述方案中，步骤2中所述量子点层材料采用常规的应变自组织方法生长，该常规的应变自组织方法是将一定厚度的压应变材料沉积在衬底上，此时量子点材料自然形成。
上述方案中，在全部量子点中，小尺寸量子点所占比例大于50％，用以抵消材料对短波长发光的吸收效应。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种宽光谱自组织量子点材料的生长方法，是在衬底上制作宽度或掩模间距呈周期性由大到小逐渐变化的介质掩模，介质掩模宽度大或间距小的掩模间衬底部分量子点尺寸大发光波长长，而介质掩模宽度小或间距大的掩模间衬底表面量子点尺寸小发光波长短，连续变化的掩模宽度/间距对量子点的发光具有连续的调制作用，结合量子点固有的光谱非均匀展宽效应，能够得到宽光谱量子点材料。
2、本发明提供的这种宽光谱自组织量子点材料的生长方法，介质掩模图形每个周期中掩模宽度小于最大宽度一半的部分所占比例大于50％，使得在全部量子点中，小尺寸量子点所占比例大于50％，能够抵消材料对短波长发光的吸收效应。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合实施例及附图对本发明进行进一步描述，其中：
图1为本发明宽光谱自组织量子点材料的的结构剖面示意图；
图2为依照本发明实施例一种选择区域外延所用一个周期的间距渐变介质掩模示意图；
图3为依照本发明实施例另一种选择区域外延所用一个周期的掩模宽度渐变的介质掩模示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1、图2和图3，本发明提供的这种宽光谱自组织量子点材料的生长方法，包括如下步骤：
步骤1，在衬底1上制作介质掩模图形2(图2)或3(图3)。衬底1是GaAs衬底、InP衬底、GaN衬底、SiC衬底、Si衬底，或其他III～V、II～VI族材料衬底。介质掩模2及3成对出现，材料为SiO2或Si3N4，厚度为10～300nm，介质掩模图形周期为n，n为自然数。如图2所示，对于间距渐变介质掩模2，间距小的掩模间衬底表面形成的量子点尺寸大发光波长长，而间距大的掩模间衬底表面量子点尺寸小发光波长短。为了抵消材料对短波长发光的吸收效应，掩模图形中掩模宽度小于最大宽度一半的部分22大于一个掩模周期21的50％。如图3所示，对于掩模宽度渐变的介质掩模3，掩模宽度小的部分掩模之间的衬底区域形成的量子点尺寸小，发光波长短，而掩模宽度大的部分掩模之间的衬底区域形成的量子点尺寸大，发光波长长。同样，为了抵消材料对短波长发光的吸收效应，掩模图形中掩模宽度小于最大宽度一半的部分32大于一个掩模周期31的50％。连续变化的掩模宽度/间距对量子点的发光具有连续的调制作用，结合量子点固有的光谱非均匀展宽效应，可以得到宽光谱量子点材料；
步骤2，在制作有介质掩模图形2或3的衬底上依次生长量子点缓冲层材料4、量子点层材料5及量子点盖层材料6。量子点材料采用常规的应变自组织方法生长，即将一定厚度的压应变材料沉积在衬底上时量子点材料自然形成。
在量子点生长过程中，反应物在介质掩模对之间的部分容易形核，而在介质掩模上面不能形核。除了在半导体表面上存在控制材料生长的反应物垂直浓度梯度外，还存在着从掩模对上方排斥过来的侧向浓度梯度。这样就使得掩模对之间的选择生长区域的量子点的三维尺寸增加，同时这个增加随着掩模对宽度的增加而增加，随着选择区域面积的增加而减小。
参阅图2，对于间距渐变介质掩模2，间距小的掩模间衬底表面形成的量子点尺寸大发光波长长，而间距大的掩模间衬底表面量子点尺寸小发光波长短。为了抵消材料对短波长发光的吸收效应，掩模图形中掩模宽度小于最大宽度一半的部分22大于一个掩模周期21的50％，使得应用于器件时小尺寸量子点数目多于大尺寸量子点。
参阅图3，对于掩模宽度渐变的介质掩模3，掩模宽度小的部分掩模之间的衬底区域形成的量子点尺寸小，发光波长短，而掩模宽度大的部分掩模之间的衬底区域形成的量子点尺寸大，发光波长长。同样，为了抵消材料对短波长发光的吸收效应，掩模图形中掩模宽度小于最大宽度一半的部分32大于一个掩模周期31的50％，使得应用于器件时小尺寸量子点数目多于大尺寸量子点。
连续变化的掩模宽度/间距对量子点的发光波长具有连续的调制作用，结合量子点固有的光谱非均匀展宽效应，可以得到宽光谱量子点材料。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽光谱自组织量子点材料的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制作介质掩模图形；
步骤2：在制作有介质掩模图形的衬底上依次生长量子点缓冲层材料、量子点层材料及量子点盖层材料。
2.根据权利要求1所述的宽光谱自组织量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤1中所述衬底是III～V、II～VI族材料衬底。
3.根据权利要求2所述的宽光谱自组织量子点材料的生长方法，其特征在于，所述衬底是GaAs衬底，或是InP衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底。
4.根据权利要求1所述的宽光谱自组织量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤1中所述介质掩模图形是成对出现的，介质掩模图形的掩模宽度或掩模间距是呈周期性由大到小逐渐变化的，介质掩模的厚度为10～300nm，材料为SiO2或Si3N4。
5.根据权利要求4所述的宽光谱自组织量子点材料的生长方法，其特征在于，所述介质掩模宽度大或间距小的掩模间衬底部分量子点尺寸大发光波长长，连续变化的掩模宽度或间距对量子点的发光具有连续的调制作用，结合量子点固有的光谱非均匀展宽效应，能够得到宽光谱量子点材料。
6.根据权利要求4所述的宽光谱自组织量子点材料的生长方法，其特征在于，在每个周期中，所述介质掩模图形掩模宽度小于最大宽度一半的部分所占比例大于50％。
7.根据权利要求4所述的宽光谱自组织量子点材料的生长方法，其特征在于，所述介质掩模图形周期为n，n为自然数。
8.根据权利要求1所述的宽光谱自组织量子点材料的生长方法，其特征在于，步骤2中所述量子点材料采用常规的应变自组织方法生长，该常规的应变自组织方法是将一定厚度的压应变材料沉积在衬底上，此时量子点材料自然形成。
9.根据权利要求1所述的宽光谱自组织量子点层材料的生长方法，其特征在于，在全部量子点中，小尺寸量子点所占比例大于50％，用以抵消材料对短波长发光的吸收效应。
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