一种半导体量子点激光器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及量子点技术领域，具体而言，涉及一种半导体量子点激光器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]量子点是一种准零维的纳米材料，三个维度的尺寸都在1-1Onm之间，其内部电子在各个方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应显著。不同尺寸的量子点，电子和空穴被量子限域的程度不一样，分子特性的分立能级结构也因量子点的尺寸不同而不同。因此，在受到外来能量激发后，不同尺寸的量子点将发出不同波长的荧光，也就是各种颜色的光。
[0003]近二三十年量子点合成技术的发展使新一代量子点发光器件迅速兴起，核壳结构量子点的发光效率可以高达100%，由前述可知量子点的发光光谱容易调节，只要改变量子点尺寸或掺入其他元素，其发光波长可以在所有可见波段调节，并能延伸至近红外波段和近紫外波段，大大增加了其可开发利用的前景。除此之外，量子点发光光谱的半峰宽较窄，一般小于30nm，满足了做发光器件的一个重要条件。另一个重要因素，量子点的光化学稳定性较有机材料有大幅提升，可有效延长器件的寿命，达到商用要求。
[0004]然而，传统硅基量子点器件日益趋紧物理极限，含量子点和石墨烯的新型纳米器件受到广泛的关注。石墨烯材料与量子点材料的共同优势，可以实现对入射光的快速响应，并且可以对相应波长进行宽带宽调谐，在近红外以及中红外波段实现较高的响应，且这种器件可以在室温下工作，不受低温条件的限制，解决了一直以来的难题。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提供一种半导体量子点激光器，以解决现有技术中量子点激光器件的发光效率低、需要低温进行的问题。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供了一种量子点激光器件，包括衬底层，所述衬底上包含有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设置有石墨烯层，所述石墨烯层上设置有量子点层，所述的增强发光的石墨烯材料设置在量子点层和二氧化硅层之间。
[0007]进一步地，上述衬底层具体为高掺杂的单晶硅片，厚度为500um ;所述二氧化硅层厚度为300nmo
[0008]进一步地，所述的石墨烯材料是用于增强器件的发光性能，此外，还可以选用MoS2, WSe2,以及Mo的硫化物中的一种。
[0009]进一步地，所述的石墨烯材料，其厚度在1-10单原子层。
[0010]进一步地，上述量子点发光层的厚度为l-10nm，优选地，量子点发光层厚度为3_7nm0
[0011]进一步地，设置在所述量子点发光层与二氧化硅层之间的增强发光层的边缘与所述的量子点发光层的边缘平齐。
[0012]进一步地，所述量子点发光层中量子点材料选自Ge量子点、InAs量子点、InGaAs量子点中的一种。
[0013]进一步地，所述量子点材料是在室温下进行生长的。
【附图说明】
[0014]图1示出了本发明一种实施例提供的量子点激光器件的剖面结构示意图。
[0015]图2示出了本发明的量子点激光器件的实施例1与没有石墨烯增强层的对比例I的器件的PL谱峰光强度对比。
[0016]图3示出了本发明的量子点激光器件的实施例1与衬底上设置有二氧化硅层的对比例2的PL谱峰光强度对比。
[0017]图4示出了本发明的量子点发光器件的实施例1与没有量子点作为发光层的对比例3的器件的PL谱峰光强度对比。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种半导体量子点激光器件，该量子点激光器件包括衬底层，所述衬底上包含有二氧化硅层，所述二氧化硅层上设置有石墨烯层，所述石墨烯层上设置有量子点层，所述的增强发光的石墨烯材料设置在量子点层和二氧化硅层之间。
[0020]实施例1
(I)、衬底的清洗:用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，各超声15min且每两步之间用去离子水冲洗，然后用浓硫酸和双氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干液体。
[0021](2)、石墨烯增强层的制备:将悬空自助转移的单层石墨烯释放到去离子水中，完全释放使其平整展开，然后将放在去离子水中的清洁的衬底慢慢上抬，是石墨烯平整的转移到衬底上，最后在烘箱中烘干，增加石墨烯与衬底的吸附能力。
[0022](3)、量子点发光层的制备:将制备完传输层的样品转入到样品托中，放入离子束溅射生长室内，抽真空至压强小于3.0X 10 4Pa,向溅射生长室内充入纯度为5N的Ar气至真空度为2.0X10 2Pa,在离子束流为7mA，束流电压为IKV的条件下，溅射生长厚度为3nm厚度的Ge量子点，得到实施例1的量子点激光器件。
[0023]
实施例2
(I)、衬底的清洗:用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，各超声15min且每两步之间用去离子水冲洗，然后用浓硫酸和双氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干液体。
[0024](2)、石墨烯增强层的制备:将悬空自助转移的单层石墨烯释放到去离子水中，完全释放使其平整展开，然后将放在去离子水中的清洁的衬底慢慢上抬，是石墨烯平整的转移到衬底上，最后在烘箱中烘干，增加石墨烯与衬底的吸附能力。
[0025](3)、量子点发光层的制备:将制备完传输层的样品转入到样品托中，放入离子束溅射生长室内，抽真空至压强小于3.0X 10 4Pa,向溅射生长室内充入纯度为5N的Ar气至真空度为2.0X 10 2Pa，在离子束流为8mA，束流电压为IKV的条件下，溅射生长厚度为3nm厚度的Ge量子点，得到实施例2的量子点激光器件。
[0026]对比例I
(I)、衬底的清洗:用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，各超声15min且每两步之间用去离子水冲洗，然后用浓硫酸和双氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干液体。
[0027](2)、石墨烯增强层的制备:无增强层。
[0028](3)、量子点发光层的制备:将制备完传输层的样品转入到样品托中，放入离子束溅射生长室内，抽真空至压强小于3.0X 10 4Pa,向溅射生长室内充入纯度为5N的Ar气至真空度为2.0X10 2Pa,在离子束流为7mA，束流电压为IKV的条件下，溅射生长厚度为3nm厚度的Ge量子点，得到对比例I的量子点激光器件。
[0029]
对比例2
(I)、衬底的清洗:用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，各超声15min且每两步之间用去离子水冲洗，然后用浓硫酸和双氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干液体。
[0030](2)、石墨烯增强层的制备:无增强层。
[0031](3)、量子点发光层的制备:无量子点发光层，得到对比例2的量子点激光器件。
[0032]
对比例3
(I)、衬底的清洗:用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，各超声15min且每两步之间用去离子水冲洗，然后用浓硫酸和双氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去离子水冲洗，然后用氮气吹干。
[0033](2)、石墨烯增强层的制备:将悬空自助转移的单层石墨烯释放到去离子水中，完全释放使其平整展开，然后将放在去离子水中的清洁的衬底慢慢上抬，是石墨烯平整的转移到衬底上，最后在烘箱中烘干，增加石墨烯与衬底的吸附能力。
[0034](3)、量子点发光层的制备:无量子点发光层，得到对比例3的量子点发光器件。
[0035]
对比例4
(I)、衬底的清洗:用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，各超声15min且每两步之间用去离子水冲洗，然后用浓硫酸和双氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去离子水冲洗，然后用氮气枪吹干液体。
[0036](2)、增强层的制备:将清洗干净的样品转入到样品托中，放入离子束溅射生长室内，抽真空至压强小于3.0X 10 4Pa,向溅射生长室内充入纯度为5N的Ar气至真空度为2.0 X 12Pa,在离子束流为10mA，束流电压为IKV的条件下，溅射生长厚度为30nm厚度的Si传输层，用Si传输层来替代石墨烯传输层。
[0037](3)、量子点发光层的制备:将制备完传输层的样品转入到样品托中，放入离子束溅射生长室内，抽真空至压强小于3.0X 10 4Pa,向溅射生长室内充入纯度为5N的Ar气至真空度为2.0X10 2Pa,在离子束流为7mA，束流电压为IKV的条件下，溅射生长厚度为3nm厚度的Ge量子点，得到对比例4的量子点发光器件D
【主权项】
1.一种半导体量子点激光器件，整体结构由多层不同材质复合组成，包括:衬底层，其特征在于，所述衬底上包含有硅层和二氧化硅层，所述二氧化硅层上设置有石墨烯层，所述石墨烯层上在室温下设置有量子点层。2.根据权利要求1所述的量子点激光器件，其特征在于，所述衬底层具体为高掺杂的单晶硅片，厚度为500um，以及二氧化硅层厚度为300nm。3.根据权利要求1所述的量子点激光器件，其特征在于，所述的石墨烯材料是用于增强器件的发光性能，此外，还可以选用MoS2、WSe2、以及Mo的硫化物中的一种。4.根据权利要求1所述的量子点激光器件，其特征在于，所述的石墨烯材料，其厚度在1-10单原子层之间。5.根据权利要求1所述的量子点激光器件，其特征在于，所述的量子点层的厚度为l-10nmo6.根据权利要求1所述的量子点激光器件，其特征在于，设置在所述量子点发光层与二氧化硅层之间的增强发光层的边缘与所述的量子点发光层的边缘平齐。7.根据权利要求1所述的量子点激光器件，其特征在于，所述量子点材料选自Ge量子点、InAs量子点、InGaAs量子点中的一种。8.根据权利要求1所述的量子点激光器件，其特征在于，所述量子点材料是在室温下制备的。
【专利摘要】本发明提供了一种半导体量子点激光器及其制备方法。该激光器包含衬底层，在衬底上转移一层石墨烯薄膜，用于增强其发光性能，然后用外延生长的方法在石墨烯上生长量子点。由于胶体量子点制备过程中存在一些困难，进而，限制了石墨烯上量子点在光电器件中的使用，该量子点激光器件克服了这些不足，改用外延生长的方法，成功在石墨烯上的到了高密度的不同族的量子点，可以实现室温PL谱800-850nm波段的发光，为半导体量子点在光电器件中的应用奠定了良好的基础。
【IPC分类】H01S5/34
【公开号】CN105337167
【申请号】CN201510734977
【发明人】杨宇, 张 杰, 王茺, 张璋, 张瑾, 王荣飞
【申请人】云南大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年11月3日