[发明专利]量子点分子发光器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，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。

背景技术

-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。其中族元素包括硼、铝、镓、铟、铊，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。

发明内容

本发明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。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明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、n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、上钛铂金金属电极层；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、应力缓冲层和隔层，n为自然数，n≥1。

在实际应用中适当增加量子点分子层数n，可以提高有效增益，增强出光强度，但是n的取值过大会加大工艺控制难度，所以n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背景技术中已经介绍过。

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。