[发明专利]一种可获得极宽短波红外发光谱的半导体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电材料制备领域，特别涉及一种使室温半导体材料发光光谱明显展宽并以此制备超辐射光源的材料及其应用。

背景技术

宽光谱光源在医学领域有着重要的作用。随着现代医学技术的发展，医学诊断技术越来越向无痛无创技术发展，典型的代表有超声波检查、X射线照相技术、计算机X射线断层扫描技术、核磁共振等技术，有的技术甚至可以实现三维成像，但其空间分辨率往往被限制在数百微米量级上。光学相干层析成像技术是近几年发展起来的检测技术，通过探测生物体内微弱的背反射光实现生物体内部成像。该技术中采用了宽光谱光源，光源的半峰宽和系统的成像分辨率有密切关系，半峰宽越宽，分辨率越高。目前运用最广泛的是超辐射发光二极管作为光源，其系统分辨率最高可以达到10微米。如果需要达到更高的分辨率，则需要发光峰更宽的光源。

近年来，稀铋半导体材料由于其独特而重要的材料性能引起国际上广泛关注。人们发现在III-V族材料内掺入少量Bi元素后材料的禁带宽度会有效降低，比如在GaAs中每加入1%的Bi元素，材料的禁带宽度就会降低84-88meV；在InAsBi中每加入1%的Bi元素，材料的禁带宽度就会降低42-55meV；在InSbBi中每加入1%的Bi元素，材料的禁带宽度就会降低36meV，这给人们在材料选择上又多了一种选择。而且随着Bi浓度的增加，GaAsBi的自旋轨道分裂能也会增加，会抑制激光器中的俄歇复合效应，减小热消耗。此外人们发现在GaAs中掺入Bi之后禁带宽度随温度的变化比GaAs小很多，而从目前已有的GaAsBi激光器性能来看，其发光波长随温度的变化率是传统InGaAsP激光器的40%。这些优良的材料性质吸引着人们在稀铋领域内发掘更多的半导体材料。

目前为止，除了上述提到的几种稀铋材料外，人们对InGaAsBi、GaSbBi和GaNBi等都有研究，获得了有趣的结果。

发明内容

鉴于宽光谱光源的应用需求，本发明的目的在于提供一种半导体材料及其制备方法，用于解决现有技术中的半导体材料制成的发光二极管发光波长较短、且光谱范围较窄的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半导体材料，该半导体材料为InPBi，其中Bi元素的原子百分含量为0.1-5%。

所述的InPBi材料可以在InP、GaAs、InAs等衬底上进行生长。

本发明还提供一种采用所述的半导体材料制备的InPBi薄膜，其制备方法包括以下步骤：

（1）设置In炉温度为800-1000℃，Bi炉温度为430-530℃，PH₃压强为200-700Torr，使得对应的InP生长速率为10-2000nm/h；

（2）打开In炉挡板和PH₃阀门，在InP衬底10上生长一层厚为0-10000nm的InP缓冲层，衬底温度为320-520℃；

（3）关闭In炉挡板，在PH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为220-370℃之间；

（4）将PH₃的压强设为200-480Torr；

（5）同时打开In和Bi的挡板，生长厚为50-3000nm的InPBi薄膜，此时，衬底温度在220-370℃之间；

（6）关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。

本发明还提供一种采用所述的半导体材料制备的InPBi多层异质结材料，其制备方法包括以下步骤：

（1）设置In炉温度为800-1000℃，Bi炉温度为430-530℃，PH₃压强为200-700Torr，使得对应的InP生长速率为10-2000nm/h；

（2）打开In炉挡板和PH₃阀门，在InP衬底10上生长一层厚为0-10000nm的InP缓冲层，衬底温度为320-470℃；

（3）关闭In炉挡板，在PH₃阀门打开的前提下，将衬底温度设为220-370℃之间；

（4）将PH₃的压强降至200-480Torr；

（5）同时打开In和Bi的挡板，生长厚为2-100nm的InPBi薄膜，此时，衬底温度在220-370℃之间；

（6）关闭Bi的挡板，生长厚度为5-200nm的InP薄膜；

（7）周期性重复步骤（5）和（6）n次，n为整数，其取值大于等于1，小于等于100；

（8）关闭所有源料的快门，将温度降至室温，生长结束。