量子点分子发光器件制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件
，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。
技术介绍
III - V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III族元素包括硼、铝、镓、铟、铊，V 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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是本专利技术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、η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、上钛钼金金属电极层；所述量子点分子有源区包含η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，η为自然数，η > 1。在实际应用中适当增加量子点分子层数η，可以提高有效增益，增强出光强度，但 是η的取值过大会加大工艺控制难度，所以η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、在线刻 蚀法、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
技术介绍
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、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η型或者ρ型掺杂。本专利技术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、均勻性好、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。本专利技术具有以下的主要有益效果本专利技术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，尺寸非均勻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。本专利技术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为本专利技术的两层量子点分子有源区结构剖面图。图2为本专利技术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. η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. ρ型铝镓砷上包层；11. ρ型镓砷欧姆接触层；12. 二氧化硅绝缘 层；13.上钛钼金金属电极层。具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步的说明。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：田芃，黄黎蓉，石中卫，黄德修，元秀华，阎利杰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83