一種半導(dǎo)體量子點激光器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子點技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種半導(dǎo)體量子點激光器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]量子點是一種準(zhǔn)零維的納米材料，三個維度的尺寸都在1-1Onm之間，其內(nèi)部電子在各個方向上的運動都受到局限，所以量子限域效應(yīng)顯著。不同尺寸的量子點，電子和空穴被量子限域的程度不一樣，分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)也因量子點的尺寸不同而不同。因此，在受到外來能量激發(fā)后，不同尺寸的量子點將發(fā)出不同波長的熒光，也就是各種顏色的光。
[0003]近二三十年量子點合成技術(shù)的發(fā)展使新一代量子點發(fā)光器件迅速興起，核殼結(jié)構(gòu)量子點的發(fā)光效率可以高達100%，由前述可知量子點的發(fā)光光譜容易調(diào)節(jié)，只要改變量子點尺寸或摻入其他元素，其發(fā)光波長可以在所有可見波段調(diào)節(jié)，并能延伸至近紅外波段和近紫外波段，大大增加了其可開發(fā)利用的前景。除此之外，量子點發(fā)光光譜的半峰寬較窄，一般小于30nm，滿足了做發(fā)光器件的一個重要條件。另一個重要因素，量子點的光化學(xué)穩(wěn)定性較有機材料有大幅提升，可有效延長器件的壽命，達到商用要求。
[0004]然而，傳統(tǒng)硅基量子點器件日益趨緊物理極限，含量子點和石墨烯的新型納米器件受到廣泛的關(guān)注。石墨烯材料與量子點材料的共同優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對入射光的快速響應(yīng)，并且可以對相應(yīng)波長進行寬帶寬調(diào)諧，在近紅外以及中紅外波段實現(xiàn)較高的響應(yīng)，且這種器件可以在室溫下工作，不受低溫條件的限制，解決了一直以來的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種半導(dǎo)體量子點激光器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中量子點激光器件的發(fā)光效率低、需要低溫進行的問題。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種量子點激光器件，包括襯底層，所述襯底上包含有二氧化硅層，所述二氧化硅層上設(shè)置有石墨烯層，所述石墨烯層上設(shè)置有量子點層，所述的增強發(fā)光的石墨烯材料設(shè)置在量子點層和二氧化硅層之間。
[0007]進一步地，上述襯底層具體為高摻雜的單晶硅片，厚度為500um ;所述二氧化硅層厚度為300nmo
[0008]進一步地，所述的石墨烯材料是用于增強器件的發(fā)光性能，此外，還可以選用MoS2, WSe2,以及Mo的硫化物中的一種。
[0009]進一步地，所述的石墨烯材料，其厚度在1-10單原子層。
[0010]進一步地，上述量子點發(fā)光層的厚度為l-10nm，優(yōu)選地，量子點發(fā)光層厚度為3_7nm0
[0011]進一步地，設(shè)置在所述量子點發(fā)光層與二氧化硅層之間的增強發(fā)光層的邊緣與所述的量子點發(fā)光層的邊緣平齊。
[0012]進一步地，所述量子點發(fā)光層中量子點材料選自Ge量子點、InAs量子點、InGaAs量子點中的一種。
[0013]進一步地，所述量子點材料是在室溫下進行生長的。
【附圖說明】
[0014]圖1示出了本發(fā)明一種實施例提供的量子點激光器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2示出了本發(fā)明的量子點激光器件的實施例1與沒有石墨烯增強層的對比例I的器件的PL譜峰光強度對比。
[0016]圖3示出了本發(fā)明的量子點激光器件的實施例1與襯底上設(shè)置有二氧化硅層的對比例2的PL譜峰光強度對比。
[0017]圖4示出了本發(fā)明的量子點發(fā)光器件的實施例1與沒有量子點作為發(fā)光層的對比例3的器件的PL譜峰光強度對比。
[0018]
【具體實施方式】
[0019]在本發(fā)明一種典型的實施方式中，提供了一種半導(dǎo)體量子點激光器件，該量子點激光器件包括襯底層，所述襯底上包含有二氧化硅層，所述二氧化硅層上設(shè)置有石墨烯層，所述石墨烯層上設(shè)置有量子點層，所述的增強發(fā)光的石墨烯材料設(shè)置在量子點層和二氧化硅層之間。
[0020]實施例1
(I)、襯底的清洗:用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，各超聲15min且每兩步之間用去離子水沖洗，然后用濃硫酸和雙氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去離子水沖洗，然后用氮氣槍吹干液體。
[0021](2)、石墨烯增強層的制備:將懸空自助轉(zhuǎn)移的單層石墨烯釋放到去離子水中，完全釋放使其平整展開，然后將放在去離子水中的清潔的襯底慢慢上抬，是石墨烯平整的轉(zhuǎn)移到襯底上，最后在烘箱中烘干，增加石墨烯與襯底的吸附能力。
[0022](3)、量子點發(fā)光層的制備:將制備完傳輸層的樣品轉(zhuǎn)入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內(nèi)，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣至真空度為2.0X10 2Pa,在離子束流為7mA，束流電壓為IKV的條件下，濺射生長厚度為3nm厚度的Ge量子點，得到實施例1的量子點激光器件。
[0023]
實施例2
(I)、襯底的清洗:用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，各超聲15min且每兩步之間用去離子水沖洗，然后用濃硫酸和雙氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去離子水沖洗，然后用氮氣槍吹干液體。
[0024](2)、石墨烯增強層的制備:將懸空自助轉(zhuǎn)移的單層石墨烯釋放到去離子水中，完全釋放使其平整展開，然后將放在去離子水中的清潔的襯底慢慢上抬，是石墨烯平整的轉(zhuǎn)移到襯底上，最后在烘箱中烘干，增加石墨烯與襯底的吸附能力。
[0025](3)、量子點發(fā)光層的制備:將制備完傳輸層的樣品轉(zhuǎn)入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內(nèi)，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣至真空度為2.0X 10 2Pa，在離子束流為8mA，束流電壓為IKV的條件下，濺射生長厚度為3nm厚度的Ge量子點，得到實施例2的量子點激光器件。
[0026]對比例I
(I)、襯底的清洗:用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，各超聲15min且每兩步之間用去離子水沖洗，然后用濃硫酸和雙氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去離子水沖洗，然后用氮氣槍吹干液體。
[0027](2)、石墨烯增強層的制備:無增強層。
[0028](3)、量子點發(fā)光層的制備:將制備完傳輸層的樣品轉(zhuǎn)入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內(nèi)，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣至真空度為2.0X10 2Pa,在離子束流為7mA，束流電壓為IKV的條件下，濺射生長厚度為3nm厚度的Ge量子點，得到對比例I的量子點激光器件。
[0029]
對比例2
(I)、襯底的清洗:用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，各超聲15min且每兩步之間用去離子水沖洗，然后用濃硫酸和雙氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去離子水沖洗，然后用氮氣槍吹干液體。
[0030](2)、石墨烯增強層的制備:無增強層。
[0031](3)、量子點發(fā)光層的制備:無量子點發(fā)光層，得到對比例2的量子點激光器件。
[0032]
對比例3
(I)、襯底的清洗:用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，各超聲15min且每兩步之間用去離子水沖洗，然后用濃硫酸和雙氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去離子水沖洗，然后用氮氣吹干。
[0033](2)、石墨烯增強層的制備:將懸空自助轉(zhuǎn)移的單層石墨烯釋放到去離子水中，完全釋放使其平整展開，然后將放在去離子水中的清潔的襯底慢慢上抬，是石墨烯平整的轉(zhuǎn)移到襯底上，最后在烘箱中烘干，增加石墨烯與襯底的吸附能力。
[0034](3)、量子點發(fā)光層的制備:無量子點發(fā)光層，得到對比例3的量子點發(fā)光器件。
[0035]
對比例4
(I)、襯底的清洗:用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，各超聲15min且每兩步之間用去離子水沖洗，然后用濃硫酸和雙氧水，以2:1的比例配制的溶液浸泡15min，用去離子水沖洗，然后用氮氣槍吹干液體。
[0036](2)、增強層的制備:將清洗干凈的樣品轉(zhuǎn)入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內(nèi)，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣至真空度為2.0 X 12Pa,在離子束流為10mA，束流電壓為IKV的條件下，濺射生長厚度為30nm厚度的Si傳輸層，用Si傳輸層來替代石墨烯傳輸層。
[0037](3)、量子點發(fā)光層的制備:將制備完傳輸層的樣品轉(zhuǎn)入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內(nèi)，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內(nèi)充入純度為5N的Ar氣至真空度為2.0X10 2Pa,在離子束流為7mA，束流電壓為IKV的條件下，濺射生長厚度為3nm厚度的Ge量子點，得到對比例4的量子點發(fā)光器件D
【主權(quán)項】
1.一種半導(dǎo)體量子點激光器件，整體結(jié)構(gòu)由多層不同材質(zhì)復(fù)合組成，包括:襯底層，其特征在于，所述襯底上包含有硅層和二氧化硅層，所述二氧化硅層上設(shè)置有石墨烯層，所述石墨烯層上在室溫下設(shè)置有量子點層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點激光器件，其特征在于，所述襯底層具體為高摻雜的單晶硅片，厚度為500um，以及二氧化硅層厚度為300nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點激光器件，其特征在于，所述的石墨烯材料是用于增強器件的發(fā)光性能，此外，還可以選用MoS2、WSe2、以及Mo的硫化物中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點激光器件，其特征在于，所述的石墨烯材料，其厚度在1-10單原子層之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點激光器件，其特征在于，所述的量子點層的厚度為l-10nmo6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點激光器件，其特征在于，設(shè)置在所述量子點發(fā)光層與二氧化硅層之間的增強發(fā)光層的邊緣與所述的量子點發(fā)光層的邊緣平齊。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點激光器件，其特征在于，所述量子點材料選自Ge量子點、InAs量子點、InGaAs量子點中的一種。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點激光器件，其特征在于，所述量子點材料是在室溫下制備的。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體量子點激光器及其制備方法。該激光器包含襯底層，在襯底上轉(zhuǎn)移一層石墨烯薄膜，用于增強其發(fā)光性能，然后用外延生長的方法在石墨烯上生長量子點。由于膠體量子點制備過程中存在一些困難，進而，限制了石墨烯上量子點在光電器件中的使用，該量子點激光器件克服了這些不足，改用外延生長的方法，成功在石墨烯上的到了高密度的不同族的量子點，可以實現(xiàn)室溫PL譜800-850nm波段的發(fā)光，為半導(dǎo)體量子點在光電器件中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
【IPC分類】H01S5/34
【公開號】CN105337167
【申請?zhí)枴緾N201510734977
【發(fā)明人】楊宇, 張 杰, 王茺, 張璋, 張瑾, 王榮飛
【申請人】云南大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月3日