[发明专利]铟砷氮铋、使用该材料的激光器和探测器及制备方法

说明书

本申请公开了一种铟砷氮铋半导体材料、使用该材料的激光器和探测器及制备方法，涉及半导体光电材料制备领域。所述材料包括：衬底层、缓冲层和铟砷氮铋半导体材料。通过共掺杂方式，在InAs半导体中掺入一定浓度的Bi原子和N原子，可有效调节InAs材料的禁带宽度，实现从近红外到中红外波段的覆盖，应用于光电子器件。Bi原子的掺入可使材料更易生长并更加稳定，N原子的引入可以提高Bi的溶解度。在InAs半导体中同时掺入N原子，Bi原子可以有效调节化合物的能带结构。本申请可采用常规分子束外延、金属有机物化学气相沉积等多种方法进行生长，结构和操作工艺简单，易于控制。

技术领域

本申请涉及半导体光电材料制备领域，特别是涉及一种铟砷氮铋半导体材料、使用该材料的激光器和探测器及制备方法。

背景技术

研究表明，半导体家族的III-V中的砷化铟(InAs),是一个具有优异电学性质的半导体材料，InAs材料具有载流子浓度大，电子迁移率高等优点。在InAs加入少量的Bi原子可以使得InAs材料的带隙减小，带隙的减小速率大约是40-50meV。室温下InAsBi_0.089相比较于InAs材料带隙值减小了0.354eV。同时InAs材料作为一个直接带隙半导体材料可以用构建I型，II型量子阱，这使得InAs_1-x-yN_xBi_y材料可以作为备选材料应用于中红外光电子器件、探测器、化学传感器、激光器等。但是成功应用于这些器件之前，还需要一些条件。比如，一个较好的生长质量，很强的光学耦合，和较低的非辐射载流子损失。材料生长方面，在InAs材料中Bi原子的掺杂浓度已经提高到6.4％。一般情况下，半导体材料的吸收强度在带隙对应的波长会衰减，但是仍然在长波范围内还是会有超过1000/cm的吸收。

InAsN材料是III-V-N材料体系中被研究很多的一种材料，和其他III-V-N材料相比，InAsN材料具有很大的弯曲系数等优势。由于N的原子半径和As的原子半径相差比较大，会导致在InAsN中N原子的溶解度不高。影响器件材料的设计和器件性能。在InAsN材料中继续掺入Bi原子，不但可以提高N的溶解度，并且由于Bi原子可以使得材料的自旋轨道分裂能增大。当自旋轨道分裂能大于带隙值的时候，则可以抑制材料中的俄歇复合效应，减小器件的噪声。

在InAs中同时掺入Bi原子和N原子是非常有意义的，Bi原子和N原子能够分别调节价带和导带的位置，同时可以根据器件材料需求，通过调节Bi原子和N原子的浓度来获得理想的晶格常数，这给器件设计和能带工程都带来了很大的便利。

发明内容

本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种铟砷氮铋半导体材料，包括：

衬底层，为InAs衬底层或辅助衬底层；

缓冲层，在所述衬底层上外延生长InAs缓冲层；和

铟砷氮铋半导体材料，在所述缓冲层上外延生长铟砷氮铋薄膜和异质结材料，其结构通式为InAs_1-x-yN_xBi_y，它是通过在InAs材料中掺入N原子和Bi原子获得。

可选地，所述Bi原子的有效调节范围是0<y≤5％。

可选地，所述InAs_1-x-yN_xBi_y材料禁带宽度通过控制掺入的N原子及Bi原子的浓度调控，使其波长范围可覆盖近红外至中红外。

可选地，所述的InAs_1-x-yN_xBi_y材料以薄膜、量子阱、量子点或超晶格的形式作为光电器件材料的一部分。