CN102097564B

CN102097564B - 量子点分子发光器件

Info

Publication number: CN102097564B
Application number: CN 201010562068
Authority: CN
Inventors: 田芃; 黄黎蓉; 石中卫; 黄德修; 元秀华; 阎利杰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: CN102097564A

Abstract

本发明涉及量子点分子发光器件，该发光器件自下而上依次包含以下结构：下金锗镍金属电极层（1）、镓砷衬底（2）、镓砷缓冲层（3）、n型铝镓砷下包层（4）、镓砷下限制波导层（5）、量子点分子有源区、镓砷上限制波导层（9）、p型铝镓砷上包层（10）、p型镓砷欧姆接触层（11）、二氧化硅绝缘层（12）、上钛铂金金属电极层（13）；所述量子点分子有源区包含n个量子点分子层，每一个量子点分子层包括量子点分子（6）、应力缓冲层（7）和隔层（8），n为自然数，n≥1。本发明利用侧向耦合的量子点分子制成有源区结构及相应的发光器件，拓宽了量子点的应用范围，改善了低维半导体器件的性能。

Description

量子点分子发光器件

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种量子点分子为有源区结构的发光器件，该发光器件具体包括超辐射发光管、半导体激光器、半导体发光二极管以及半导体光放大器。

背景技术

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族化合物形成的低维纳米结构是半导体材料研究的热门课题之一，具有提高半导体器件性能的巨大潜力和广阔的市场前景。其中

族元素包括硼、铝、镓、铟、铊，

族元素包括氮、磷、砷、锑、铋，组成的化合物主要包括铟砷、铟镓砷、铟磷、镓砷、镓磷、镓砷锑、铟镓磷、铝镓砷、铟磷等。量子点作为一种零维半导体纳米材料，其载流子在三维方向上的运动受到量子限制作用，具有类似于原子的分离能级和态密度，因而呈现出优异的物理和光学性质。用量子点作为有源区的半导体发光器件有很多优越的特性，比如，相对量子阱和体材料激光器而言，量子点激光器具有更低的阈值电流和噪声强度、更高的特征温度和增益、优异的动态调制特性；量子点超辐射发光管与普通超辐射发光管相比，具有更大的发射功率、更宽的发射谱；量子点光放大器比目前使用的量子阱和体材料光放大器具有更高的材料增益和微分增益、更大的饱和输出功率、更短的增益恢复时间和更低的噪声指数；量子点发光二极管则具有更高的发光色纯度、更高的发光效率、发光颜色可调等突出优点。

量子点分子是由两个或多个靠得很近的量子点通过相互之间耦合作用而形成的一种新型的半导体材料结构。根据量子点耦合方向的不同，量子点分子可以分为垂直耦合的量子点分子和侧向耦合的量子点分子。前者的耦合方向与量子点生长方向一致，而后者的耦合方向在与量子点生长方向垂直的平面内。垂直耦合的量子点分子是通过在生长方向上依次生长量子点、薄盖层、量子点得到的。在下层量子点的应力场影响下，上层量子点趋向于在下层量子点上方成核生长，量子点之间相互耦合形成量子点分子。垂直耦合量子点分子生长工艺简单，但是在实际的器件应用中，由于下层量子点的应力场作用常常使上层的量子点密度降低，体积增大，甚至会导致弛豫岛的出现，从而降低了器件整体发光效率，影响了垂直耦合量子点分子器件的性能。侧向耦合量子点分子的耦合作用发生在平面内，其耦合维度比垂直耦合多一维，有利于拓展量子点分子应用，且通过调整盖层的结构还可以控制量子点分子层间的应力作用，从而得到高密度、多层的、有利于改善半导体发光器件性能的量子点分子结构。

目前，侧向耦合的量子点分子生长主要是通过以下几种方法来实现：

（1）在衬底材料表面上先生长一超晶格形成应力调制场，然后在超晶格上面生长侧向耦合的量子点分子，由于应力调制场的诱导，控制超晶格的生长参数可以调控量子点分子的形成；

（2）利用三溴化砷气体对铟砷量子点外延材料在线刻蚀，在材料表面上形成纳米小孔，然后在纳米小孔的附近再通过外延生长，形成量子点分子；

（3）通过Volmer-Weber生长模式，在材料表面上采用液滴外延方法形成小岛，在退火和V族气体作用下，得到量子点分子；

（4）通过合理调整外延生长参数来控制铟的扩散和材料转移，在衬底上通过Stranski-Krastanov模式自组装生长量子点分子。

经检索，目前尚未用量子点分子作为有源区结构的发光器件的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种以量子点分子为有源区结构的发光器件，以满足市场的需求。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明提供的是一种量子点分子为有源区结构的发光器件，该发光器件自下而上依次包含以下结构：下金锗镍金属电极层、镓砷衬底、镓砷缓冲层、n型铝镓砷下包层、镓砷下限制波导层、量子点分子有源区、镓砷上限制波导层、p型铝镓砷上包层、p型镓砷欧姆接触层、二氧化硅绝缘层、上钛铂金金属电极层；所述量子点分子有源区包含n个量子点分子层，每一个量子点分子层包括量子点分子、应力缓冲层和隔层，n为自然数，n≥1。

在实际应用中适当增加量子点分子层数n，可以提高有效增益，增强出光强度，但是n的取值过大会加大工艺控制难度，所以n的取值由发光器件具体需要来合适取值。

每个量子点分子所包含的量子点个数为两个或两个以上，量子点之间为侧向耦合，即耦合方向在与生长方向垂直的平面内。

所述量子点分子的生长方式可以采用合理调整生长参数的自组装生长法、液滴外延法和生长超晶格应力调制层法中的任何一种或者多种方法结合得到。各种方法的具体工艺生长过程背景技术中已经介绍过。

所述量子点分子有源区的量子点分子材料为铟砷、铟镓砷、镓磷或铟镓磷III-V族化合物。

所述量子点分子有源区的量子点分子顶部依次设有应力缓冲层和隔层，该应力缓冲层材料包括铟镓砷、镓砷锑、铝镓砷或铟镓砷氮；该隔层由单层材料或者多层材料组合制成，所述材料包括镓砷、铟镓砷、镓磷、镓砷锑、镓锑、铝镓砷、铟镓磷或铝铟镓砷。

所述镓砷衬底材料为镓砷、铟磷或镓磷，其掺杂类型是n型或者p型掺杂。

本发明提供的上述量子点分子发光器件，其制备方法是：该量子点分子发光器件采用金属有机化合物气相沉积、分子束外延、原子层外延、化学束外延中的一种或者多种外延生长方法结合得到。

其中金属有机化合物气相沉积和分子束外延生长方法可以进行原子量级的多层超薄微结构材料的生长，并且可以灵活精确控制材料组分和掺杂的浓度，同时，还具有重复性好、均匀性好、层间过渡陡峭等优点。

所述量子点分子发光器件为超辐射发光管、半导体激光器、半导体发光二极管或半导体光放大器。

本发明具有以下的主要有益效果：

本发明中的量子点分子作为一种新型的纳米材料结构，其中组成量子点分子的量子点之间由于耦合而发生了相互作用，这使量子点分子具有不同于简单量子点的特性，如与量子点相比，光致发光波长发生红移，强度增强，尺寸非均匀性更大和具有更宽的发光光谱等。因此，发光器件采用量子点分子作为有源区结构，一些性能将会得到较大的改善，同时也有望拓宽量子点的应用范围。

本发明利用侧向耦合的量子点分子制成有源区结构及相应的发光器件，拓宽量子点的应用范围，改善低维半导体器件的性能。涉及的发光器件可以包含超辐射发光管、半导体激光器、半导体发光二极管、半导体光放大器。

附图说明

图1为本发明的两层量子点分子有源区结构剖面图。

图2为本发明的量子点分子为有源区结构的半导体发光器件结构剖面图。

图3为具有两层量子点的有源区结构的光致发光光谱图。

图4为具有两层量子点分子的有源区结构的光致发光谱图。

图中：1.下金锗镍金属电极层； 2.镓砷衬底； 3.镓砷缓冲层； 4. n型铝镓砷下包层； 5.镓砷下限制波导层； 6.量子点分子层； 7.应力缓冲层； 8.隔层； 9.镓砷上限制波导层； 10. p型铝镓砷上包层； 11. p型镓砷欧姆接触层； 12.二氧化硅绝缘层； 13.上钛铂金金属电极层。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1. 在镓砷衬底上生长铟砷量子点分子有源区结构

本实施例中，量子点分子有源区结构包含两层铟砷量子点分子，如图1所示。

在镓砷衬底2上，利用金属有机化合物气相沉积设备自下而上依次外延生长：

镓砷缓冲层3，生长厚度为500纳米，生长温度为680摄氏度；

量子点分子层6，量子分子采用铟砷材料，铟砷沉积量为1.8个原子单层，生长温度为511摄氏度；

应力缓冲层7，生长厚度为8纳米，生长温度与铟砷量子点分子生长温度相同（511摄氏度）。该应力缓冲层材料可以采用包括铟镓砷、镓砷锑、铝镓砷、铟镓砷氮等。本实施例采用的是铟镓砷材料，其中铟的组分为0.18。

隔层8，生长厚度为40纳米，生长温度为600摄氏度。该隔层可以采用单层材料或者多层材料组合得到。隔层生长材料包括镓砷、铟镓砷、镓磷、镓砷锑、镓锑、铝镓砷、铟镓磷、铝铟镓砷等，如铟砷量子点分子的隔层可以采用一层铟镓砷和一层镓砷两层材料组合构成；也可以采用一层镓砷锑、一层铟镓砷、一层镓砷三层材料组合得到。本实施例采用的是一层镓砷材料。

量子点分子层6，生长参数和材料与底层的铟砷量子点分子相同。

上述实施例，由实验可知：该铟砷量子点分子有源区结构的光致发光谱实验结果如图4所示，基态发光峰位于1319纳米处，光谱的半高全宽达到207纳米。同时利用金属有机化合物气相沉积设备，生长了一个相同结构的铟砷量子点有源区结构用作对比，唯一不同的是铟砷的生长温度，对铟砷量子点有源区结构，铟砷的生长温度为505摄氏度。光致发光谱的实验结果表明，量子点有源区结构的基态发射波长为1325纳米，光谱的半高全宽为183纳米，如图3所示。和普通量子点有源区光致发光谱图3比较，量子点分子有源区的光致发光光谱具有较大发光强度、较平滑的光谱形状、更宽的光谱宽度。因此该量子分子有源区结构可以做宽光谱的发光器件，如超辐射发光管、半导体光放大器、发光二极管、多波长半导体激光器、宽调谐范围的半导体激光器等。在上述结构基础上，通过调整铟砷的生长速率、

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比和沉积量，以及铟镓砷隔层的铟组分，光致发光光谱显示量子点材料的基态发光峰波长为1288纳米，而量子点分子的基态发光峰位1291纳米，量子点分子红移量为3纳米，是由于量子点分子的形成导致了发光波长红移，红移量较小是首先须抵消生长温度提高对发光波长产生蓝移的影响；其次光致发光谱的强度也比量子点光致发光谱强度提高了12%。因此，量子点分子有源区结构的发光器件有助于改善低维半导体器件的性能，拓宽应用范围。

实施例2. 铟砷量子点分子为有源区结构的发光器件

图2为本发明的量子点分子为有源区结构的发光器件的结构剖面图，可以适用于半导体激光器、半导体光放大器、半导体发光二极管以及超辐射发光管。

本实施例中，量子点分子发光器件自下而上依次包括以下结构：下金锗镍金属电极层1、镓砷衬底2、镓砷缓冲层3、n型铝镓砷下包层4、镓砷下限制波导层5、量子点分子有源区、镓砷上限制波导层9、p型铝镓砷上包层10、p型镓砷欧姆接触层11、二氧化硅绝缘层12、上钛铂金金属电极层13。

所述的量子点分子有源区为铟砷量子点分子有源区结构，采用了图1所示的n个铟砷量子点分子层（n>1，n为自然数），这是本发明的主要创新点。而其他层次，即图2中的下金锗镍金属电极层1、镓砷衬底2、镓砷缓冲层3、n型铝镓砷下包层4、镓砷下限制波导层5、镓砷上限制波导层9、p型铝镓砷上包层10、 p型镓砷欧姆接触层11、二氧化硅绝缘层12、上钛铂金金属电极层13则与其他量子点激光器等发光器件没有区别。

下面结合图2，以1.3微米波段的铟砷量子点分子为有源区的半导体激光器为例，详细介绍该半导体激光器的具体结构和外延生长过程：

（1）衬底选用镓砷衬底2，其掺杂类型n型，杂质浓度在10¹⁸cm^-3量级，厚度为300-400微米；

（2）采用金属有机化学气相沉积设备在镓砷衬底上外延生长镓砷缓冲层3，其掺杂类型为n型Si掺杂，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3，厚度300纳米；

（3）生长n型铝镓砷下包层4，其铝的组分为0.33，镓的组分为0.67，采用Si掺杂，掺杂浓度在2×10¹⁸cm^-3，厚度1500纳米；

（4）生长镓砷下限制波导层5，厚度100纳米；

（5）生长量子点分子有源区，该有源区包括量子点分子层6，应力缓冲层7和隔层8，其中量子点分子层6采用铟砷材料，它具有的铟砷量子点分子层数为3-7层，每一个铟砷量子点分子层的生长厚度为1.8个原子单层，生长温度为511摄氏度；应力缓冲层7采用铟镓砷材料，厚度为8纳米，生长温度为511摄氏度；隔层8采用镓砷材料，厚度为40纳米，生长温度为600摄氏度；

（6）生长一层镓砷上限制波导层9，厚度100纳米；

（7）生长p型铝镓砷上包层10，其铝的组分为0.33，镓的组分为0.67，掺杂采用p型锌掺杂，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3，厚度1500纳米；

（8）生长p型镓砷欧姆接触层11，其掺杂采用p型锌掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，厚度300纳米；

（9）采用等离子体增强化学气相沉积设备在外延片上镀上一层约200纳米厚的二氧化硅绝缘层12，经过光刻和化学腐蚀形成约3微米的脊形波导，解理后在两端镀上中心波长为1.3微米的高反膜，然后在外延片表面溅射上钛铂金金属电极层13。

（10）对镓砷衬底2进行减薄，蒸镀下金锗镍金属电极层1。

再经过封装耦合以后，形成所述的铟砷量子点分子为有源区的半导体激光器。

以上只是本发明的一种实施例的具体结构和外延生长步骤，本发明涉及的器件结构参数并不局限于上述实施例。

Claims

1. 一种量子点分子发光器件，其特征是一种量子点分子为有源区结构的发光器件，该发光器件自下而上依次包含以下结构：下金锗镍金属电极层（1）、镓砷衬底（2）、镓砷缓冲层（3）、n型铝镓砷下包层（4）、镓砷下限制波导层（5）、量子点分子有源区、镓砷上限制波导层（9）、p型铝镓砷上包层（10）、p型镓砷欧姆接触层（11）、二氧化硅绝缘层（12）、上钛铂金金属电极层（13）；所述量子点分子有源区包含n个量子点分子层，每一个量子点分子层包括量子点分子（6）、应力缓冲层（7）和隔层（8），n为自然数，n≥1。

2. 根据权利要求1所述的量子点分子发光器件，其特征是每个量子点分子所包含的量子点个数为两个或两个以上，量子点之间为侧向耦合，即耦合方向在与生长方向垂直的平面内。

3. 根据权利要求1所述的量子点分子发光器件，其特征是量子点分子的生长方式采用合理调整生长参数的自组装生长法、液滴外延法和生长超晶格应力调制层法中的任何一种或者多种方法结合得到。

4. 根据权利要求1所述的量子点分子发光器件，其特征是该量子点分子有源区的量子点分子材料为铟砷、铟镓砷、镓磷或铟镓磷III-V族化合物。

5. 根据权利要求1所述的量子点分子发光器件，其特征是量子点分子有源区的量子点分子顶部依次设有应力缓冲层和隔层，该应力缓冲层材料包括铟镓砷、镓砷锑、铝镓砷或铟镓砷氮；该隔层由单层材料或者多层材料组合制成，所述材料包括镓砷、铟镓砷、镓磷、镓砷锑、镓锑、铝镓砷、铟镓磷或铝铟镓砷。

6. 根据权利要求1所述的量子点分子发光器件，其特征是所述镓砷衬底材料为镓砷、铟磷或镓磷，其掺杂类型是n型或者p型掺杂。

7. 权利要求1至6中任一权利要求所述量子点分子发光器件的制备方法，其特征是该量子点分子发光器件采用金属有机化合物气相沉积、分子束外延、原子层外延、化学束外延中的一种或者多种外延生长方法结合得到。

8. 根据权利要求7所述量子点分子发光器件的制备方法，其特征是该量子点分子发光器件为超辐射发光管、半导体激光器、半导体发光二极管或半导体光放大器。