一種可獲得極寬短波紅外發(fā)光譜的半導(dǎo)體材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可獲得極寬短波紅外發(fā)光譜的半導(dǎo)體材料及其制備方法，通過在生長磷化銦（InP）材料時加入少量鉍（Bi）元素形成全新的InPBi材料，獲得室溫下短波紅外區(qū)域光致發(fā)光譜波長覆蓋范圍極寬的材料。比如當(dāng)Bi的元素百分含量為1.1％時，其室溫光致發(fā)光譜的波長覆蓋范圍可以達(dá)到1.3-2.7μm，半峰寬達(dá)到650nm。本發(fā)明報道的InPBi單晶材料為世界上首次成功合成。此InPBi紅外光源材料可采用常規(guī)分子束外延、金屬有機物化學(xué)氣相沉積等多種方法進行生長，結(jié)構(gòu)和操作工藝簡單，易于控制。
【專利說明】一種可獲得極寬短波紅外發(fā)光譜的半導(dǎo)體材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種使室溫半導(dǎo)體材料發(fā)光光譜明顯展寬并以此制備超輻射光源的材料及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]寬光譜光源在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要的作用。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)越來越向無痛無創(chuàng)技術(shù)發(fā)展，典型的代表有超聲波檢查、X射線照相技術(shù)、計算機X射線斷層掃描技術(shù)、核磁共振等技術(shù)，有的技術(shù)甚至可以實現(xiàn)三維成像，但其空間分辨率往往被限制在數(shù)百微米量級上。光學(xué)相干層析成像技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的檢測技術(shù)，通過探測生物體內(nèi)微弱的背反射光實現(xiàn)生物體內(nèi)部成像。該技術(shù)中采用了寬光譜光源，光源的半峰寬和系統(tǒng)的成像分辨率有密切關(guān)系，半峰寬越寬，分辨率越高。目前運用最廣泛的是超輻射發(fā)光二極管作為光源，其系統(tǒng)分辨率最高可以達(dá)到10微米。如果需要達(dá)到更高的分辨率，則需要發(fā)光峰更寬的光源。
[0003]近年來，稀鉍半導(dǎo)體材料由于其獨特而重要的材料性能引起國際上廣泛關(guān)注。人們發(fā)現(xiàn)在II1-V族材料內(nèi)摻入少量Bi元素后材料的禁帶寬度會有效降低，比如在GaAs中每加入1%的Bi元素，材料的禁帶寬度就會降低84-88meV ;在InAsBi中每加入1%的Bi元素，材料的禁帶寬度就會降低42-55meV ;在InSbBi中每加入1%的Bi元素，材料的禁帶寬度就會降低36meV，這給人們在材料選擇上又多了一種選擇。而且隨著Bi濃度的增加，GaAsBi的自旋軌道分裂能也會增加，會抑制激光器中的俄歇復(fù)合效應(yīng)，減小熱消耗。此外人們發(fā)現(xiàn)在GaAs中摻入Bi之后禁帶寬度隨溫度的變化比GaAs小很多，而從目前已有的GaAsBi激光器性能來看，其發(fā)光波長隨溫度的變化率是傳統(tǒng)InGaAsP激光器的40%。這些優(yōu)良的材料性質(zhì)吸引著人們在稀鉍領(lǐng)域內(nèi)發(fā)掘更多的半導(dǎo)體材料。
[0004]目前為止，除了上述提到的幾種稀鉍材料外，人們對InGaAsB1、GaSbBi和GaNBi等都有研究，獲得了有趣的結(jié)果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]鑒于寬光譜光源的應(yīng)用需求，本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體材料及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體材料制成的發(fā)光二極管發(fā)光波長較短、且光譜范圍較窄的問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體材料，該半導(dǎo)體材料為InPBi，其中Bi元素的原子百分含量為0.1-5%。
[0007]所述的InPBi材料可以在InP、GaAs, InAs等襯底上進行生長。
[0008]本發(fā)明還提供一種采用所述的半導(dǎo)體材料制備的InPBi薄膜，其制備方法包括以下步驟:
[0009](I)設(shè)置In爐溫度為800-1000 V，Bi爐溫度為430-530 V，PH3壓強為200-700Torr，使得對應(yīng)的InP生長速率為10_2000nm/h ；
[0010](2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底10上生長一層厚為O-1OOOOnm的InP緩沖層，襯底溫度為320-520°C ；
[0011](3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為220_370°C之間；
[0012](4)將 PH3 的壓強設(shè)為 200_480Torr ；
[0013](5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為50_3000nm的InPBi薄膜，此時，襯底溫度在 220-370°C之間；
[0014](6)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0015]本發(fā)明還提供一種采用所述的半導(dǎo)體材料制備的InPBi多層異質(zhì)結(jié)材料，其制備方法包括以下步驟:
[0016](I)設(shè)置In爐溫度為800-1000 °C，Bi爐溫度為430-530 °C，PH3壓強為200-700Torr，使得對應(yīng)的InP生長速率為10_2000nm/h ；
[0017](2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底10上生長一層厚為O-1OOOOnm的InP緩沖層，襯底溫度為320-470°C ；
[0018](3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為220_370°C之間；
[0019](4)將 PH3 的壓強降至 200-480Torr ；
[0020](5)同時打開In和 Bi的擋板，生長厚為2_100nm的InPBi薄膜，此時，襯底溫度在220-370°C之間；
[0021](6)關(guān)閉Bi的擋板，生長厚度為5-200nm的InP薄膜；
[0022](7)周期性重復(fù)步驟(5)和(6) η次，η為整數(shù)，其取值大于等于1，小于等于100 ；
[0023](8)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0024]本發(fā)明所獲得的材料發(fā)光光譜范圍寬，所述的InPBi薄膜、異質(zhì)結(jié)或納米結(jié)構(gòu)可以用常規(guī)的分子束外延、金屬有機物化學(xué)氣相沉積和原子層沉積等方法進行生長，操作工藝簡單，易控制。
[0025]本專利中提到的InPBi材料為首次采用分子束外延方法成功生長，所生長的材料具有非常好的材料質(zhì)量，該材料在室溫下展示了非常寬的發(fā)光特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明實施例1的InPBi薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實施例2的InPBi多層異質(zhì)結(jié)材料示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明實施例1中InPBi薄膜的室溫光致發(fā)光譜圖。
[0029]圖4為本發(fā)明實施例2的InPBi多層異質(zhì)結(jié)材料的室溫光致發(fā)光譜圖。
[0030]元件標(biāo)號說明
[0031]襯底10
[0032]緩沖層20
[0033]InP Bi 材料層 30
[0034]InP 薄膜40
【具體實施方式】[0035]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0036]請參閱附圖所示。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，因此圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可隨意改變，且其組件布局型態(tài)也可更為復(fù)雜。
[0037]所述的寬光譜材料可以在InP或其它襯底上進行生長，InPBi材料中Bi元素的原子百分含量可以通過控制In爐溫度、Bi爐溫度、PH3壓強調(diào)控沉積在襯底表面的Bi元素的百分比，通過調(diào)節(jié)襯底溫度控制襯底表面P元素的沉積進而影響B(tài)i元素的含量。
[0038]請參閱圖1所示的InPBi薄膜結(jié)構(gòu),其包括襯底10、位于所述襯底10上的緩沖層20以及位于所述緩沖層上的InPBi材料層30。
[0039]以下為采用氣態(tài)源分子束外延設(shè)備在InP襯底上制備InPBi薄膜材料的主要步驟:
[0040](I)設(shè)置In爐溫度為800-1000 V，Bi爐溫度為430-530 V，PH3壓強為200-700Torr，使得對應(yīng)的InP生長速率為10_2000nm/h ；
[0041](2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底10上生長一層厚為O-1OOOOnm的InP緩沖層20，襯底溫度為320-520°C ；
[0042](3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為220_370°C之間；
[0043](4)將 PH3 的壓強設(shè)為 200_480Torr ；
[0044](5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為50_3000nm的InPBi薄膜30，此時，襯底溫度在220-370°C之間；
[0045](6)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0046]請參閱圖2所示的InPBi多層異質(zhì)結(jié)構(gòu),其包括襯底10、位于所述襯底10上的緩沖層20、位于所述緩沖層上的周期性InPBi/InP薄膜。以下以采用氣態(tài)源分子束外延設(shè)備在InP襯底上制備InPBi多層異質(zhì)結(jié)材料說明主要步驟:
[0047](I)設(shè)置In爐溫度為800-1000 °C，Bi爐溫度為430-530 °C，PH3壓強為200-700Torr，使得對應(yīng)的InP生長速率為10_2000nm/h ；
[0048](2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底10上生長一層厚為O-1OOOOnm的InP緩沖層20，襯底溫度為320-470°C ；
[0049](3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為220_370°C之間；
[0050](4 )將 PH3 的壓強降至 200-480Torr ；
[0051](5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為2_100nm的InPBi薄膜30，此時，襯底溫度在220-370°C之間；
[0052](6)關(guān)閉Bi的擋板，生長厚度為5-200nm的InP薄膜40 ；
[0053](7)周期性重復(fù)步驟(5)和(6) η次，η為整數(shù)，其取值大于等于1，小于等于100 ；
[0054](8)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0055]以下通過具體實施例說明含有不同Bi元素百分比的InPBi半導(dǎo)體材料及其制備方法。
[0056]實施例一:Bi元素的原子百分比為0.5%的InPBi薄膜材料
[0057]本實施例中薄膜材料的制備方法如下:
[0058](I)設(shè)置In爐溫度為915°C，Bi爐溫度為465°C，PH3壓強為630Torr，襯底溫度為470°C，所有溫度均由熱偶測得；
[0059](2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底上生長一層厚為IOOnm的InP緩沖層，襯底溫度為470°C ；
[0060](3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度降至360°C ；
[0061](4)將 PH3 的壓強降至 350Torr ；
[0062](5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為430nm的InPBi薄膜，襯底溫度為360°C;
[0063](6)關(guān)閉In、Bi和P的快門，將襯底溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0064]通過以上所述方法獲得Bi元素的原子百分比為0.5%的InPBi薄膜材料，該材料具有極寬的室溫光致發(fā)光譜，如圖2所示，發(fā)光譜峰值在1.5微米處，半峰寬為515nm。
[0065]實施例二:Bi元素的原子百分比為1.1%的InPBi薄膜材料
[0066]本實施例中薄膜材料的制備方法如下:
[0067](I)設(shè)置In爐溫度為915°C，Bi爐溫度為465°C，PH3壓強為630Torr，襯底溫度為470°C，所有溫度均由熱偶測得；
[0068](2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底上生長一層厚為IOOnm的InP緩沖層，襯底溫度為470°C ；
[0069](3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度降至320°C ；
[0070](4)將 PH3 的壓強降至 350Torr ；
[0071](5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為430nm的InPBi薄膜；
[0072](6)關(guān)閉In、Bi和P的快門，將襯底溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0073]通過以上所述方法獲得Bi元素的原子百分比為1.1%的InPBi薄膜材料，該材料具有極寬的室溫光致發(fā)光譜，如圖3所示，發(fā)光譜峰值在1.9微米左右，半峰寬為650nm。
[0074]實施例三:Bi元素的原子百分比為5%的InPBi薄膜材料
[0075]本實施例中薄膜材料的制備方法如下:
[0076](I)設(shè)置In爐溫度為915°C，Bi爐溫度為505°C，PH3壓強為630Torr，襯底溫度為470 0C (熱偶測得)；
[0077](2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底上生長一層厚為IOOnm的InP緩沖層，襯底溫度為470°C ；
[0078](3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度降至300°C ；
[0079](4)將 PH3 的壓強降至 350Torr ；
[0080](5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為430nm的InPBi薄膜；
[0081](6)關(guān)閉In、Bi和P的快門，將襯底溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0082]通過以上所述方法獲得Bi元素的原子百分比為5.0%的InPBi薄膜材料，該材料同樣具有極寬的室溫光致發(fā)光譜。
[0083]實施例4 =Bi元素的原子百分比為1.1%的InPBi多層異質(zhì)結(jié)材料
[0084]本實施例中多層異質(zhì)結(jié)材料的制備方法如下:[0085](I)設(shè)置In爐溫度為940°C，Bi爐溫度為465°C，PH3壓強為630Torr，使得對應(yīng)的InP生長速率為820nm/h ；
[0086](2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底10上生長一層厚為IOOnm的InP緩沖層，襯底溫度為470°C ；
[0087](3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為320°C ；
[0088](4)將 PH3 的壓強降至 320Torr ；
[0089](5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為56nm的InPBi薄膜，此時，襯底溫度為320 0C ；
[0090](6)關(guān)閉Bi的擋板，生長厚度為IOOnm的InP薄膜；
[0091](7)周期性重復(fù)步驟(5)和(6) 4次；
[0092](8)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
[0093]通過以上所述方法獲得Bi元素的原子百分比為1.1%的InPBi多層異質(zhì)結(jié)材料，該材料具有極寬的室溫光致發(fā)光譜，發(fā)光譜峰值在1.63微米，半峰寬為757nm。
[0094]本發(fā)明通過在生長磷化銦(InP)材料時加入少量鉍(Bi)元素形成全新的InPBi材料，獲得室溫下短波紅外區(qū)域光致發(fā)光譜波長覆蓋范圍極寬的材料。比如當(dāng)Bi的元素百分含量為1.1 %時，其室溫光致發(fā)光譜的波長覆蓋范圍可以達(dá)到1.3-2.7 μ m,半峰寬達(dá)到650nm。本發(fā)明報道的InPBi單晶材料為世界上首次成功合成。此InPBi薄膜材料可采用常規(guī)分子束外延、金屬有機物化學(xué)氣相沉積等多種方法進行生長，結(jié)構(gòu)和操作工藝簡單，易于控制。
[0095]綜上所述，本發(fā)明獲得了室溫下短波紅外區(qū)域光致發(fā)光譜波長覆蓋范圍極寬的新型材料，有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點，具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0096]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種可獲得極寬短波紅外發(fā)光譜的半導(dǎo)體材料，其特征在于:該半導(dǎo)體材料為InPBi，其中Bi元素的原子百分含量為0.1-5%。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料制備的InPBi薄膜。
3.一種采用氣態(tài)源分子束外延方法制備權(quán)利要求2所述的InPBi薄膜的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: Cl)設(shè)置 In 爐溫度為 800-1000。。，Bi 爐溫度為 430-530°C, PH3 壓強為 200-700Torr,使得對應(yīng)的InP生長速率為10-2000nm/h ； (2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底10上生長一層厚為O-1OOOOnm的InP緩沖層，襯底溫度為320-520°C ； (3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為220-370°C之間； (4)將PH3的壓強設(shè)為200-480Torr； (5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為50-3000nm的InPBi薄膜，此時，襯底溫度在220-370°C之間； (6)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
4.一種采用權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料制備的InPBi多層異質(zhì)結(jié)材料。
5.一種如權(quán)利要求4所述的InPBi多層異質(zhì)結(jié)材料的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟: Cl)設(shè)置 In 爐溫度為 800-1000。。，Bi 爐溫度為 430-530°C, PH3 壓強為 300-700Torr,使得對應(yīng)的InP生長速率為10-2000nm/h ； (2)打開In爐擋板和PH3閥門，在InP襯底10上生長一層厚為O-1OOOOnm的InP緩沖層，襯底溫度為320-470°C ； (3)關(guān)閉In爐擋板，在PH3閥門打開的前提下，將襯底溫度設(shè)為220-370°C之間； (4)將PH3的壓強降至200-480Torr； (5)同時打開In和Bi的擋板，生長厚為2-100nm的InPBi薄膜，此時，襯底溫度在220-370°C之間； (6)關(guān)閉Bi的擋板，生長厚度為5-200nm的InP薄膜；(7)周期性重復(fù)步驟(5)和(6)n次，η為整數(shù)，其取值大于等于1，小于等于100； (8)關(guān)閉所有源料的快門，將溫度降至室溫，生長結(jié)束。
【文檔編號】H01L33/00GK103779457SQ201410052172
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月14日
【發(fā)明者】王凱, 王庶民, 張立瑤, 顧溢, 龔謙 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所