InAsSb量子点发光材料的制备方法与流程

本发明涉及半导体光电材料技术领域，尤其是涉及一种inassb量子点发光材料的制备方法。

背景技术：

1-3μm波段的中红外发光材料和器件在通信、气体传感、光电对抗及生物医学等方面存在广泛的应用。其中传统iii-v族量子点发光材料，由于其独特的三维量子限制效应，具有比量子阱发光材料更加优异的性质。例如inas量子点在1.3μm及1.55μm附近波段发展已日趋成熟，利用其制备的激光器具有极高的电光转换效率，超低的阈值电流密度，极高的温度稳定性和超高的调制带宽等优点。然而由于材料带隙的限制，inas量子点的发光很难扩展至长波长。inassb三元合金具有极小的禁带宽度(0.106ev)，公开报道的inassb量子点最长发光波长已经扩展至2.8μm。因此，由于其天然的长波长发光的优势，inassb量子点材料正逐渐成为国际研究的热点方向。

目前的inassb量子点在生长过程中由于sb的表面活性剂效应在[1，-1，0]方向容易被拉长，形成量子短线(dash)削弱了三维量子限制效应，减小面密度，从而影响其发光质量。尽管有研究小组采用特殊生长方法，例如脉冲气体注入法，间断生长法等调控inassb量子点的形貌，但这些生长方法复杂难控，且效果有限。因此使用常规生长手段对量子点形貌进行有效调控，进而改善其发光质量成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种inassb量子点发光材料的制备方法，以缓解现有技术中存在的由于sb的表面活性剂效应易形成量子短线而导致的inassb量子点发光质量差的技术问题。

(二)技术方案

第一方面，本发明实施例提供了一种inassb量子点发光材料的制备方法，包括：

准备带有偏角的衬底；

在所述衬底上生长缓冲层；

在所述缓冲层上生长下限制层；

在所述下限制层上生长一个或多个inassb量子点有源区；

在所述inassb量子点有源区上生长上限制层。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述衬底偏向(110)方向。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述偏角的取值范围为(0°，10°]。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述衬底为n型掺杂、p型掺杂或半绝缘的iii-v族化合物半导体衬底。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述衬底为gaas、inp、gasb或inas(001)衬底。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述inassb量子点有源区中的inassb量子点的组分为inas1-xsbx，其中，0＜x≤0.4。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述inassb量子点有源区中的inassb量子点层的生长温度为500℃。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述inassb量子点层的生长厚度为6.64ml。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述inassb量子点层生长完毕后的熟化时间为20s。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，通过金属有机物化学气相沉积法、分子束外延法或化学束外延法制备所述inassb量子点发光材料。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的inassb量子点发光材料的制备方法具有以下有益效果：

(1)本发明中，准备带有偏角的衬底(优选的，所述衬底可以偏向(110)方向)，在衬底上方生长一个或多个inassb量子点有源区，带有偏角的衬底能够抑制inassb量子点生长过程中铟原子在[1，-1，0]方向的迁移速率，避免inassb量子点在生长过程中形成量子短线，有效改善inassb量子点的表面形貌，由于inassb量子点由量子短线变成了圆顶状量子点，所以，在保证量子点材料晶体质量的同时，增大了inassb量子点的面密度和均匀性，因此，增强了发光强度，有效改善了发光质量；

(2)本发明中，由于inassb量子点发光材料的制备方法能够增强发光强度，有效改善发光质量，所以，inassb量子点发光材料的制备方法对制备低阈值大功率inassb量子点发光器件具有重要的意义；

(3)本发明中，准备带有偏角的衬底(优选的，所述衬底可以偏向(110)方向)，在衬底上方生长一个或多个inassb量子点有源区，带有偏角的衬底能够抑制inassb量子点生长过程中铟原子在[1，-1，0]方向的迁移速率，避免inassb量子点在生长过程中形成量子短线，有效改善inassb量子点的表面形貌，由量子短线变成了圆顶状量子点；

(4)本发明中，所述inassb量子点有源区中的inassb量子点层的生长温度为500℃，生长厚度为6.64ml，所述inassb量子点层生长完毕后的熟化时间为20s，这些都是经过实验优化的生长参数，按照经过实验优化的生长参数来制备inassb量子点有源区中的inassb量子点层，可以提高inassb量子点的发光效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的inassb量子点发光材料的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的在未带有偏角的衬底上与在带有6°偏角的衬底上制备的inassb量子点的原子力显微镜扫描图；

图3为本发明实施例提供的在未带有偏角的衬底上与在带有6°偏角的衬底上制备的inassb量子点的室温光致荧光谱的对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种inassb量子点发光材料的制备方法，可以缓解现有技术中存在的由于sb的表面活性剂效应易形成量子短线而导致的inassb量子点发光质量差的技术问题，达到改善inassb量子点发光质量的技术效果。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种inassb量子点发光材料的制备方法进行详细介绍，如图1所示，inassb量子点发光材料的制备方法可以包括以下步骤：

步骤s101：准备带有偏角的衬底。

其中，优选的，所述衬底可以偏向(110)方向，偏角的取值范围可以为(0°，10°]。所述衬底可以为n型掺杂、p型掺杂或半绝缘的iii-v族化合物半导体衬底。所述衬底可以为gaas、inp、gasb或inas(001)衬底。

以偏角为6°偏角为例进行说明。优选的，在步骤s101中，可以准备一个n型偏角inp(001)衬底，衬底偏向(110)方向6°，衬底掺杂浓度可以为3e18cm^-3，衬底厚度可以为350μm。

步骤s102：在所述衬底上生长缓冲层。

其中，优选的，在步骤s102中，可以在n型偏角inp(001)衬底上生长本征inp缓冲层，本征inp缓冲层的厚度可以为300nm。在生长本征inp缓冲层的过程中，生长温度可以为645℃，载流子浓度可以为1e16cm^-3。

步骤s103：在所述缓冲层上生长下限制层。

其中，优选的，在步骤s103中，可以在本征inp缓冲层上生长一个与n型偏角inp(001)衬底匹配的ingaasp下限制层。ingaasp下限制层的发光波长可以在1.3μm，生长温度可以在645℃，ingaasp下限制层的厚度可以为200nm。

步骤s104：在所述下限制层上生长一个或多个inassb量子点有源区。

其中，所述inassb量子点有源区中的inassb量子点的组分可以为inas1-xsbx，其中，0＜x≤0.4。所述inassb量子点有源区可以重复生长，堆叠单层、双层或多层。

其中，每个inassb量子点有源区分别包括：浸润层、inassb量子点层和盖层。在每个inassb量子点有源区中，首先生长浸润层，然后生长inassb量子点层，最后生长盖层。优选的，浸润层可以为ingaas薄膜，浸润层的生长温度可以为500℃，浸润层的厚度可以为1.4nm。优选的，inassb量子点的组分可以为inas0.85sb0.15。inassb量子点层的生长温度可以为500℃。所述inassb量子点层的生长厚度可以为6.64ml。所述inassb量子点层生长完毕后的熟化时间可以为20s。优选的，盖层可以为ingaasp，盖层的发光波长可以在1.3μm，生长温度可以为500℃，厚度可以为10nm。

其中，ml是monolayer的缩写，意为单原子层，是量子点生长过程中表征厚度的通用单位。不同材料的单原子层厚度不同。例如inassb材料，1ml≈0.31nm。

步骤s105：在所述inassb量子点有源区上生长上限制层。

其中，优选的，在步骤s105中，可以在所述inassb量子点有源区上生长与n型偏角inp(001)衬底匹配的ingaasp上限制层，ingaasp上限制层的发光波长可以在1.3μm，生长温度可以为645℃，厚度可以为200nm。

本发明实施例中，为便于对本发明提出的制备方法对inassb量子点形貌的改善进行可行性研究分析，inassb量子点发光材料的制备方法还可以包括：在所述上限制层上生长表层inassb量子点。表层inassb量子点可以包括：浸润层和inassb量子点。

优选的，表层inassb量子点中的浸润层可以为ingaas薄膜，生长温度可以为500℃，厚度可以为1.4nm。表层inassb量子点中的inassb量子点组分可以为inas0.85sb0.15，生长温度可以为500℃，厚度可以为6.64ml，表层inassb量子点中的inassb量子点生长完毕后的熟化时间可以为20s。熟化完成后，在砷锑氛围保护下降温至80℃。

其中，原子力显微镜可以通过表层inassb量子点测量inassb量子点发光材料的表面形貌。

图2给出了在未带有偏角的衬底上与在带有6°偏角的衬底上制备的inassb量子点的原子力显微镜扫描图。从图中可以看出，在未带有偏角的衬底上制备的inassb量子点，在[1，-1，0]方向明显被拉长(与[1，1，0]方向相比)，形成了低面密度的量子短线。在带有6°偏角的衬底上制备的inassb量子点，形貌成圆顶状，说明带有偏角的衬底抑制了inassb量子点生长过程中铟原子在[1，-1，0]方向的迁移速率，有效改善inassb量子点的表面形貌。另外，相较于在未带有偏角的衬底上制备的inassb量子点，在带有6°偏角的衬底上制备的inassb量子点在面密度和均匀性上也大有改善。

为了验证本发明实施例提供的方法制备的inassb量子点的发光质量，在inassb量子点发光材料的生长过程结束后，通过傅里叶光谱仪测量在带有6°偏角的衬底上制备的inassb量子点在室温下的光致荧光谱，并与在未带有偏角的衬底上制备的inassb量子点的室温光致荧光谱进行对比，如图3所示，从图中可以看出，在带有偏角的衬底上制备的inassb量子点的发光质量得到了明显的改善，其相对强度较在未带有偏角的衬底上制备的inassb量子点的发光强度提升了约26倍。这表明在保证量子点材料晶体质量的同时，带有偏角的衬底能够增大量子点的面密度，有效改善发光质量。这一方法对制备低阈值大功率inassb量子点发光器件具有重要的意义。另外，从图3也可以看出，采用本发明实施例提供的方法制备的inassb量子点材料光致荧光谱的半高宽明显变窄，这表明了采用本发明实施例提供的方法制备的inassb量子点的均匀性有所提高，与图2所示的量子点形貌均匀性的改善是互相呼应的。

其中，可以通过金属有机物化学气相沉积法、分子束外延法或化学束外延法制备所述inassb量子点发光材料。本发明实施例中的inassb量子点发光材料可在各种类型的半导体量子点激光器和探测器中应用。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的inassb量子点发光材料的制备方法具有以下有益效果：

(1)本发明中，准备带有偏角的衬底(优选的，所述衬底可以偏向(110)方向)，在衬底上方生长一个或多个inassb量子点有源区，带有偏角的衬底能够抑制inassb量子点生长过程中铟原子在[1，-1，0]方向的迁移速率，避免inassb量子点在生长过程中形成量子短线，有效改善inassb量子点的表面形貌，由于inassb量子点由量子短线变成了圆顶状量子点，所以，在保证量子点材料晶体质量的同时，增大了inassb量子点的面密度和均匀性，因此，增强了发光强度，有效改善了发光质量；

(2)本发明中，由于inassb量子点发光材料的制备方法能够增强发光强度，有效改善发光质量，所以，inassb量子点发光材料的制备方法对制备低阈值大功率inassb量子点发光器件具有重要的意义；

(3)本发明中，准备带有偏角的衬底(优选的，所述衬底可以偏向(110)方向)，在衬底上方生长一个或多个inassb量子点有源区，带有偏角的衬底能够抑制inassb量子点生长过程中铟原子在[1，-1，0]方向的迁移速率，避免inassb量子点在生长过程中形成量子短线，有效改善inassb量子点的表面形貌，由量子短线变成了圆顶状量子点；

(4)本发明中，所述inassb量子点有源区中的inassb量子点层的生长温度为500℃，生长厚度为6.64ml，所述inassb量子点层生长完毕后的熟化时间为20s，这些都是经过实验优化的生长参数，按照经过实验优化的生长参数来制备inassb量子点有源区中的inassb量子点层，可以提高inassb量子点的发光效率。

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。