CN103794693B - 一种发光二极管及光学相干层析成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管及采用该发光二极管的光学相干层析(OCT)成像系统。所述发光二极管器件基于InPBi发光层材料，其具有超过现有超辐射发光二极管的宽光谱特性。采用InPBi发光层的发光二极管作为宽光谱光源的OCT系统与现有技术相比，轴向分辨率提高4-6倍，在医学诊断上具有良好的应用前景。基于InPBi材料的发光二极管结构简单，可以通过分子束外延、金属有机物化学气相沉积等多种成熟的材料工艺进行生长；器件制备工艺简单成熟，易控制。因此利用本发明可以有效克服现有相关相干成像系统现有技术的局限，而且工艺简单、成熟、可控，具有极高的产业价值。

Description

一种发光二极管及光学相干层析成像系统
技术领域
本发明属于半导体光电应用技术领域，特别涉及一种基于具有极宽光谱的InPBi发光二极管器件结构及其在光学相干层析成像系统中的应用。
背景技术
随着现代医学的发展，微创成像技术给人类带来越来越多的福利。光学相干层析成像技术（OCT）是一种非侵入式的光学成像诊断方法，采用低相干宽光谱光源，通过迈克尔逊干涉仪使参考光源和生物组织的散射光进行干涉，并将含有生物组织信息的干涉光采用探测器接收并用计算机分析，从而提取出生物组织信息。由于在诊断中采用低相干宽光谱光源，使得生物组织的层析效果明显，轴向分辨率可以达到微米量级。同其他的诊断方式相比，这种方法兼具较高的轴向分辨率和较深的穿透深度，广泛应用于人类眼部及其它软组织病变的观察。
轴向分辨率和探测深度是衡量OCT系统性能的两个重要指标，而这两者又和光源的选择直接相关。光源的带宽决定了系统的轴向分辨率，光源的中心波长决定了成像深度。为了获得较高的轴向分辨率，必须采用带宽较宽的光源，带宽越宽，轴向分辨率越高。目前在OCT系统中广泛采用超辐射发光二极管作为光源，其成本低廉，输出功率较高，但由于其带宽只能达到数十纳米，因此目前其轴向分辨率只能达到6微米。要达到更高的分辨率，必须采用光谱更宽的发光光源。成像深度取决于生物组织对入射光的吸收情况。OCT技术最初主要用于人眼检测，由于眼部水的吸收效应较为严重，最初OCT技术普遍采用光谱范围为700～1500nm的光源，随着OCT技术的发展以及人体其他组织观察的需求，迫切需要拓展其他波长范围光源。比如黑色素的吸收系数随着光子波长的增加而减小，因此检测黑色素的含量需要采用更长波长的光源。如何获得发光波长更长、且光谱范围更宽的材料并制作满足OCT技术需求的光源是进一步拓展OCT应用需要解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管及光学相干层析成像系统，用于解决现有技术中的发光二极管发光波长较短、且光谱范围较窄的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发光二极管，所述发光二极管的器件结构包括衬底；形成于所述衬底上的下电极层；形成于所述下电极层上与下电极层导电类型相同的下势垒层；形成于所述下势垒层上的含有InPBi材料的发光层；形成于所述发光层上与所述下电极层导电类型相反的上势垒层；以及形成于所述上势垒层上与所述下电极层导电类型相反的上电极层。
优选地，当所述衬底为n型或者p型时，所述下电极层与该衬底导电类型相同；当所述衬底为半绝缘型时，所述下电极层为n型或者p型。
优选地，所述上势垒层和下势垒层的厚度分别在0～10微米之间。
优选地，所述含有InPBi材料的发光层为InPBi单层的发光材料或者为有周期性排列的InPBi/势垒层结构。
优选的，所述上电极层、下电极层、上势垒层、势垒层以及下势垒层为磷化物、砷化物或锑化物材料。
本发明还包括一种光学相干层析成像系统，该系统包括样品台、采用权利要求1-6任意一项可发出低相干光的发光二极管、分束器、动镜、探测器和服务器。各部分的作用如下：样品台用于放置待分析样品；
发光二极管发出具有极宽光谱特性的低相干光；
分束器将发光二极管发出的低相干光分成两束，一束照射到待分析样品上，经样品散射后形成信号光，另一束经过动镜的反射形成参考光；
动镜将一束低相干光反射到探测器上形成参考光；
探测器用于探测信号光和参考光形成的干涉信号，并将干涉信号通过放大器传给服务器；放大器用于放大干涉信号；
服务器用于接收干涉信号并通过傅里叶变换还原信号光，从而获得待分析样品的信息。
本发明还包括一种采用上述的光学相干层析成像系统的光学相干层析成像方法，其特征在于：该光学相干层析成像方法包括以下步骤：
（1）从发光二极管发出的光被分束器分成两束光，一束光透过分束器后照射到样品台的待分析样品上，经过样品散射，随后经分束器偏转后被探测器接收形成信号光；
（2）另一束光经分束器后到达动镜，经动镜反射后透过分束器到达探测器上形成参考光，该参考光与信号光干涉，经过放大器放大后的干涉信号传输给服务器；
（3）由服务器进行反傅立叶变换后还原出信号光，从而获得待分析样品的信息。本发明基于InPBi材料的发光二极管具有超过现有超辐射发光二极管的宽光谱特性，当Bi元素的原子百分含量为1.1%时，其室温发光谱的波长覆盖范围达到1.3～2.7μm，半峰宽达到650nm。采用InPBi发光二极管作为宽光谱光源的OCT系统与现有技术相比，轴向分辨率提高4-6倍，在医学诊断上具有良好的应用前景。采用InPBi材料的发光二极管结构简单，可以通过分子束外延、金属有机物化学气相沉积等多种成熟的材料工艺进行生长；器件制备工艺简单成熟，易控制。因此利用本发明可以有效克服现有相关相干成像系统现有技术的局限，而且工艺简单、成熟、可控，具有极高的产业价值。
附图说明
图1为本发明中采用上述发光二极管作为光源的光学相干层析成像系统（OCT）示意图；
图2为本发明实施例一的结构示意图；
图3为本发明实施例一中选定具体材料的、不含有势垒层的InPBi发光二极管器件结构示意图；
图4为本发明实施例二的结构示意图；
图5为本发明实施例三的结构示意图；
图6为实施例三中选定具体材料的、含有势垒层以及周期性InPBi/势垒层发光二极管器件结构示意图。
元件标号说明
InP衬底10
下电极层20
InPBi发光层30
上电极层40
下势垒层50
上势垒层60
周期性InPBi/势垒层结构70
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。
本发明提供一种新型的OCT系统，该系统所采用的光源为基于InPBi材料的发光二极管，该发光二极管具有极宽的发光谱，采用该发光二极管之后可以大幅提高OCT系统的轴向分辨率。本发明专利的核心创新之处在于将具有极宽发光光谱的InPBi发光二极管应用在OCT系统中，从而有效提高系统的轴向分辨率。以下的实施例从不同结构的InPBi发光二极管器件结构的制作角度及采用该发光二极管后的OCT系统对本发明专利进行阐述。
如图1所示，该系统所采用的宽光谱光源为基于InPBi材料的发光二极管，从该发光二极管发出的低相干光经过分束器之后分成两束光，一束光透过分束器后照射到样品上，经过样品散射，随后经分束器偏转后被探测器接收形成信号光Es；另一束光经分束器后到达动镜，经动镜反射后透过分束器到达探测器上形成参考光Er，与信号光Es干涉，经过放大器放大后的干涉信号传输给服务器，并由服务器进行反傅立叶变换后还原出信号光，从而获得物体的信息。
相比于目前商用的基于常规超辐射发光二极管的系统，在光学相干层析成像系统中采用了InPBi发光二极管作为光源后，由于其极宽的发光谱，在中心波长相近的情况下，该系统的轴向分辨率可提高4-6倍，详见下表为已报道的超辐射发光二极管与本发明制备的新型InPBi材料的发光性能及轴向分辨率比较：
以下的实施例从不同结构的InPBi发光二极管的制作角度及采用该发光二极管后的OCT系统对本发明专利进行阐述。
实施例一
一种新型的OCT系统，系统示意图参阅图1，其中所用的宽光谱光源为采用分子束外延在InP衬底上制备不含有势垒层的新型InPBi发光二极管，其器件结构见图2，包括n型衬底，n型电极层，InPBi发光层以及p型电极层。
请参阅图2和3所示，该发光二极管器件结构包括衬底10、形成于所述衬底10上的下电极层20、形成于所述下电极层20上的InPBi发光层30，其中，InPBi发光层30中InPBi材料中Bi元素的原子百分比含量为0.1～5%，以及形成于所述InPBi发光层30上与所述下电极层导电类型相反的上电极层40。
上述发光二极管优选的制备步骤如下：
（1）在n型InP衬底10上生长一层100nm掺Si的InP作为n型下电极层20，使电子浓度在1018cm-2量级，生长温度为470℃；
（2）关闭In的快门，在P源打开的前提下，将生长温度降至320℃；
（3）生长厚为430nm的InPBi发光层30，生长温度为320℃；
（4）生长200nm掺Be的InP作为p型上电极层40，使空穴浓度在1019cm-2量级，生长温度为320℃；
（5）将生长温度降至室温后取出样品；
（6）按常规发光二极管制备工艺进行制备。该制备方法属于本领域的公认常识，在此不再赘述。
实施例二
请参阅图4所示的新型InPBi发光二极管器件结构，其与实施例一不同之处在于：所述n型电极层20与所述InPBi发光层30之间形成有n型下势垒层50；所述InPBi发光层30与所述p型电极层40之间形成有p型上势垒层60。优选的制备步骤如下：
（1）在n型InP衬底10上生长一层掺Si的InP或InGaAs作为下电极层20，厚度为200nm，电子浓度在1018cm-2量级，生长温度为470℃；
（2）生长200nm掺Si的InAlAs下势垒层50，电子浓度在1017cm-2量级，生长温度为470℃；
（3）关闭In和Al的快门，在As源打开的前提下，降低生长温度至320℃；
（4）生长2μm厚的InPBi发光层30，生长温度为320℃；
（5）生长200nm掺Be的p型InAlAs上势垒层60，空穴浓度在1017cm-2量级，生长温度为320℃；（6）生长100nm掺Be的p型InGaAs或InP作为上电极层40，空穴浓度在1019cm-2量级，生长温度为320℃；
（7）将生长温度降至室温后取出样品；
（8）按常规发光二极管制备工艺进行制备。
实施例三
该器件结构参阅图5和6所示，其与实施例二的不同之处在于所述下势垒层50和InPBi-发光层30之间形成周期性排列的InPBi/势垒层结构70，优选为4个周期，构成量子阱结构。其InPBi厚度优选为10nm。
优选的制备步骤如下：
（1）在n型InP衬底10上生长一层100nm掺Si的InP作为下电极层20，使电子浓度在1018cm-2量级，生长温度为470℃；
（2）在InP电极层20上生长一层200nm掺Si的InAlAs作为下势垒层50，使电子浓度在1017cm-2量级，生长温度为470℃；
（3）关闭Si、In、Al和As的快门，在P源打开的前提下，将生长温度降至320℃；
（4）同时打开In和Bi的快门，生长10nmInPBi发光层，生长温度为320℃；
（5）继续生长50nm的InAlAs势垒层，生长温度为320℃；
（6）重复步骤（4）和（5），本实施例中为重复4次；
（8）生长一层200nm掺Be的InAlAs作为上势垒层60，空穴浓度在1017cm-2量级，生长温度为320℃；
（9）生长一层100nm掺Be的InGaAs电极层作为上电极层40，使空穴浓度在1019cm-2量级，生长温度为320℃；
（10）将生长温度降至室温后取出样品；
（11）按常规发光二极管制备工艺进行制备。
本发明中，所述上电极层40、下电极层20、上势垒层60、下势垒层50以及势垒层（周期性结构中的势垒层）为磷化物、砷化物和/或锑化物材料。所述下电极层可以为掺Si的InGaAs电极层。所述上电极层可以为掺Be的InGaAs电极层。本发明中，所述上势垒层和下势垒层的厚度分别为0～10微米。
本发明中，如果所述衬底为n型或者p型，所述下电极层与该衬底导电类型相同。如果所述衬底为半绝缘型，所述下电极层为n型或者p型。
本发明中，所述衬底为InP、GaAs、InAs等材料。
本发明基于InPBi新型材料的发光二极管具有更宽的发光光谱，并提供了一种新型的OCT系统。采用InPBi发光二极管的新型OCT系统能够有效提高其轴向分辨率，从而进一步提高OCT系统应用于生物组织时的轴向分辨率。
本发明公开了一种新型的宽光谱光源及其在光学相干层析(OCT)成像系统中的应用，所采用的宽光谱光源为基于InPBi材料的发光二极管，该发光二极管具有超过现有超辐射发光二极管的宽光谱特性，当Bi元素的原子百分含量为1.1%时，其室温发光谱的波长覆盖范围达到1.3～2.7μm，半峰宽达到650nm。采用InPBi发光二极管作为宽光谱光源的OCT系统与现有技术相比，轴向分辨率提高4-6倍，在医学诊断上具有良好的应用前景。采用InPBi材料的发光二极管结构简单，可以通过分子束外延、金属有机物化学气相沉积等多种成熟的材料工艺进行生长；器件制备工艺简单成熟，易控制。因此利用本发明可以有效克服现有相关相干成像系统现有技术的局限，而且工艺简单、成熟、可控，具有极高的产业价值。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种光学相干层析成像系统，其特征在于：该系统包括：
样品台、可发出低相干光的发光二极管、分束器、动镜、探测器、放大器和服务器；
所述样品台用于放置待分析样品；
所述发光二极管发出具有极宽光谱特性的低相干光；
所述分束器将发光二极管发出的低相干光分成两束，一束照射到待分析样品上，经样品散射后形成信号光，另一束经过动镜的反射形成参考光；
所述动镜将一束低相干光反射到探测器上形成参考光；
所述探测器用于探测信号光和参考光形成的干涉信号，并将干涉信号通过放大器传给服务器；
所述放大器用于放大干涉信号；
所述服务器用于接收干涉信号并通过傅里叶变换还原信号光，从而获得待分析样品的信息；
所述可发出低相干光的发光二极管包括：
衬底；
形成于所述衬底上的下电极层；
形成于所述下电极层上的下势垒层；
形成于所述下势垒层上的含有InPBi材料的发光层；
形成于所述InPBi发光层上的上势垒层；
以及形成于所述上势垒层上与所述下电极层导电类型相反的上电极层。
2.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统，其特征在于：所述发光二极管结构中当所述衬底为n型或者p型时，所述下电极层与该衬底导电类型相同；当所述衬底为半绝缘型时，所述下电极层为n型或者p型。
3.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统，其特征在于：所述发光二极管结构中所述上势垒层和下势垒层的厚度分别在0～10微米之间。
4.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统，其特征在于：所述发光二极管结构中所述下势垒层导电类型与所述下电极层相同；所述上势垒层与所述上电极层的导电类型相同。
5.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统，其特征在于：所述发光二极管结构中所述含有InPBi材料的发光层为InPBi单层的发光材料或者为有周期性排列的InPBi/势垒层结构。
6.根据权利要求1所述的光学相干层析成像系统，其特征在于：所述发光二极管结构中所述上电极层、下电极层、上势垒层、势垒层以及下势垒层为磷化物、砷化物或锑化物材料。
7.一种采用权利要求1至6任意一项所述的光学相干层析成像系统的光学相干层析成像方法，其特征在于：该光学相干层析成像方法包括以下步骤：
(1)从发光二极管发出的光被分束器分成两束光，一束光透过分束器后照射到样品台的待分析样品上，经过样品散射，随后经分束器偏转后被探测器接收形成信号光；
(2)另一束光经分束器后到达动镜，经动镜反射后透过分束器到达探测器上形成参考光，该参考光与信号光干涉，经过放大器放大后的干涉信号传输给服务器；
(3)由服务器进行反傅立叶变换后还原出信号光，从而获得待分析样品的信息。
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