一種半導體量子點激光器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及量子點技術領域，具體而言，涉及一種半導體量子點激光器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]量子點是一種準零維的納米材料，三個維度的尺寸都在1-1Onm之間，其內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構也因量子點的尺寸不同而不同。因此，在受到外來能量激發后，不同尺寸的量子點將發出不同波長的熒光，也就是各種顏色的光。
[0003]近二三十年量子點合成技術的發展使新一代量子點發光器件迅速興起，核殼結構量子點的發光效率可以高達100%，由前述可知量子點的發光光譜容易調節，只要改變量子點尺寸或摻入其他元素，其發光波長可以在所有可見波段調節，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利用的前景。除此之外，量子點發光光譜的半峰寬較窄，一般小于30nm，滿足了做發光器件的一個重要條件。另一個重要因素，量子點的光化學穩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注。石墨烯材料與量子點材料的共同優勢，可以實現對入射光的快速響應，并且可以對相應波長進行寬帶寬調諧，在近紅外以及中紅外波段實現較高的響應，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。
【發明內容】
[0005]本發明旨在提供一種半導體量子點激光器，以解決現有技術中量子點激光器件的發光效率低、需要低溫進行的問題。
[0006]為了實現上述目的，本發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置有石墨烯層，所述石墨烯層上設置有量子點層，所述的增強發光的石墨烯材料設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，上述量子點發光層的厚度為l-10nm，優選地，量子點發光層厚度為3_7nm0
[0011]進一步地，設置在所述量子點發光層與二氧化硅層之間的增強發光層的邊緣與所述的量子點發光層的邊緣平齊。
[0012]進一步地，所述量子點發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示出了本發明一種實施例提供的量子點激光器件的剖面結構示意圖。
[0015]圖2示出了本發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示出了本發明的量子點激光器件的實施例1與襯底上設置有二氧化硅層的對比例2的PL譜峰光強度對比。
[0017]圖4示出了本發明的量子點發光器件的實施例1與沒有量子點作為發光層的對比例3的器件的PL譜峰光強度對比。
[0018]
【具體實施方式】
[0019]在本發明一種典型的實施方式中，提供了一種半導體量子點激光器件，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置有石墨烯層，所述石墨烯層上設置有量子點層，所述的增強發光的石墨烯材料設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)、量子點發光層的制備:將制備完傳輸層的樣品轉入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內充入純度為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)、量子點發光層的制備:將制備完傳輸層的樣品轉入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內充入純度為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)、量子點發光層的制備:將制備完傳輸層的樣品轉入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內充入純度為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)、量子點發光層的制備:無量子點發光層，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)、量子點發光層的制備:無量子點發光層，得到對比例3的量子點發光器件。
[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入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內充入純度為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)、量子點發光層的制備:將制備完傳輸層的樣品轉入到樣品托中，放入離子束濺射生長室內，抽真空至壓強小于3.0X 10 4Pa,向濺射生長室內充入純度為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的量子點發光器件D
【主權項】
1.一種半導體量子點激光器件，整體結構由多層不同材質復合組成，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置有石墨烯層，所述石墨烯層上在室溫下設置有量子點層。2.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的量子點激光器件，其特征在于，設置在所述量子點發光層與二氧化硅層之間的增強發光層的邊緣與所述的量子點發光層的邊緣平齊。7.根據權利要求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.根據權利要求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】本發明提供了一種半導體量子點激光器及其制備方法。該激光器包含襯底層，在襯底上轉移一層石墨烯薄膜，用于增強其發光性能，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，可以實現室溫PL譜800-850nm波段的發光，為半導體量子點在光電器件中的應用奠定了良好的基礎。
【IPC分類】H01S5/34
【公開號】CN105337167
【申請號】CN201510734977
【發明人】楊宇, 張 杰, 王茺, 張璋, 張瑾, 王榮飛
【申請人】云南大學
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月3日