一种半导体材料、半导体薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及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且晶格常数可调以此制备超辐射光源的材料及其应用。
【背景技术】
[0002]宽光谱光源在光学相干层析成像技术有很重要的应用。相干层析成像技术作为现代流行的无痛无创诊断技术的一种，是通过探测生物体内微弱的背反射光实现生物体内部成像。该技术中采用的宽光谱光源，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。
[0003]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。研宄发现，在II1-V半导体中掺入Bi能显著缩小材料的禁带宽度，例如在GaAsBi中，每百分之一的Bi能使带隙缩小83meV，基于此，人们尝试研制GaAsBi室温连续工作的光纤通讯激光器。在InPBi中每百分之一的Bi能使带隙缩小40meV，除此之外，Bi的掺入还能显著影响材料的发光性质，在InPBi单层或InPBi多层异质结材料中，其室温下极宽的短波红外发光谱，使其在宽光谱光源上有很大的应用潜力。如当Bi元素的原子百分比为1.1%时，该类材料具有极宽的室温光致发光谱，发光谱峰值在1.63微米，半峰宽为757nm。然而，由于InPBi晶格常数比InP的大，在异质结中，晶格失配产生的应力成为制备此类材料和器件的一个难题，特别是对制备超辐射发光二极管，大的晶格失配限制了有源区的生长厚度。
【发明内容】
[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半导体材料、半导体薄膜及其制备方法，用于解决现有技术中半导体二极管发光波长较短、且光谱范围较窄等冋题。
[0005]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，所述半导体材料至少包括:In元素、Ga元素、P元素及Bi元素，其中Bi元素的原子百分含量为0.1?2.4%，Ga兀素的原子百分含量0.1?2.4%。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种半导体薄膜，所述半导体薄膜至少包括:衬底及制备于所述衬底上的半导体材料层，其中，所述半导体材料层包括上述的半导体材料。
[0007]优选地，所述衬底包括InP衬底、GaAs衬底或InAs衬底。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述半导体薄膜的制备方法，所述半导体薄膜的制备方法包括以下步骤:
[0009]提供一衬底、反应腔以及分别装有In、Ga、Bi和PH3的炉腔，将所述衬底放置于所述反应腔内；
[0010]设置所述In炉腔、Ga炉腔、Bi炉腔的温度以及所述PH3炉腔内PH3的压强以调控各元素在薄膜中的含量，并控制所述衬底的生长速率；
[0011]打开所述PH3炉腔使PH 3进入所述反应腔，设定所述衬底的温度；
[0012]控制所述反应腔中的PH3的压强；
[0013]同时打开所述In炉腔、Ga炉腔、Bi炉腔，在所述衬底的表面生长InGaPBi薄膜；
[0014]关闭所述In炉腔、Ga炉腔、Bi炉腔及？比的炉腔关闭，待所述反应腔的温度降至室温，制备过程结束。
[0015]优选地，所述In炉腔的温度设定为800?1000 °C，所述Ga炉腔的温度设定为800-900 °C，所述Bi炉腔的温度设定为430-530 °C，所述PH3炉腔内PH 3的压强设定为200-700Torro
[0016]优选地，所述衬底的生长速率控制为10?2000nm/h。
[0017]优选地，所述反应腔内通入？!13后，所述衬底的温度设定为220?370 °C。
[0018]优选地，所述反应腔中的PH3的压强控制在200?480Torr。
[0019]优选地，所述InGaPBi薄膜的厚度设定为50?3000nm。
[0020]优选地，在生长所述InGaPBi薄膜的过程中，所述衬底的温度设定在220?370°C。
[0021]如上所述，本发明的半导体材料、半导体薄膜及其制备方法，具有以下有益效果:
[0022]本发明的InGaPBi薄膜、异质结或纳米结构可以用常规的分子束外延、金属有机物化学气相沉积和原子层沉积等方法进行生长，操作工艺简单，易控制。本发明的InGaPBi材料具有非常好的材料质量，在室温下展示了非常宽的发光光谱范围。
【附图说明】
[0023]图1显示为本发明的半导体薄膜结构示意图。
[0024]图2显示为本发明的半导体薄膜制备方法的流程示意图。
[0025]图3显示为参考样品，本发明实施例一的InGaPBi薄膜以及本发明实施例二的InGaPBi薄膜的(004)晶面X射线衍射图谱。其中，曲线(a)为参考样品的(004)晶面X射线衍射图谱，参考样品中Bi元素的原子百分比为0，Ga元素的原子百分比为2.3%，用于参考；曲线(b)为实施例一的InGaPBi薄膜材料的(004)晶面X射线衍射图谱，为Bi元素的原子百分比为0.5% ,Ga元素的原子百分比为2.3%;曲线(c)为实施例二的InGaPBi薄膜材料的(004)晶面X射线衍射图谱，为Bi元素的原子百分比为1.6% ,Ga元素的原子百分比为2.3%。
[0026]图4显示为参考样品，本发明实施例一的InGaPBi薄膜以及本发明实施例二的InGaPBi薄膜的室温光致发光谱示意图。其中，曲线(a)为参考样品的室温光致发光谱，由于参考样品中没有InGaPBi材料的存在，PL峰是InP的光致发光峰；曲线(b)为实施例一InGaPBi薄膜材料的室温光致发光谱图；曲线(c)为实施例二 InGaPBi薄膜材料的室温光致发光谱图。
[0027]元件标号说明
[0028]10衬底
[0029]20半导体材料层
[0030]SI ?S6 步骤
【具体实施方式】
[0031]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0032]请参阅图1?图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0033]本发明提供一种半导体材料，所述半导体材料至少包括:1η元素、Ga元素、P元素及Bi兀素，其中Bi兀素的原子百分含量为0.1?2.4%，Ga兀素的原子百分含量0.1?2.
[0034]如图1所示，本发明还提供一种半导体薄膜，所述半导体薄膜至少包括:衬底10及制备于所述衬底10上的半导体材料层20，其中，所述半导体材料层20包括上述的半导体材料 InGaPBi。
[0035]具体地，所述衬底10包括InP衬底、GaAs衬底或InAs衬底，可根据具体应用做不同的选择。
[0036]如图2所示，本发明还提供一种半导体薄膜的制备方法，所述半导体薄膜的制备方法包括以下步骤:
[0037]步骤S1:提供一衬底、反应腔以及分别装有In、Ga、Bi和PH3的炉腔，将所述衬底放置于所述反应腔内。
[0038]具体地，在本实施例中采用气态源分子束外延设备制备所述半导体薄膜，具体应用中可根据实际情况选择制备工具，不以本实施例为限。所述气态源分子束外延设备包括反应腔、装有In源的In炉腔、装有Ga源的Ga炉腔、装有Bi源的Bi炉腔以及装有P源的PH3炉腔，所述衬底被放置于所述反应腔内，所述衬底包括InP衬底、GaAs衬底或InAs衬底，可根据具体应用做不同的选择。
[0039]步骤S2:设置所述In炉腔、Ga炉腔、Bi炉腔的温度以及所述PH3炉腔内PH 3的压强以调控各元素在薄膜中的含量，并控制所述衬底的生长速率。
[0040]具体地，在本实施例中，将所述In炉腔的温度设定为800?1000°C，所述Ga炉腔的温度设定为800-900°C，所述Bi炉腔的温度设定为430-530°C，所述？成炉腔内PH 3的压强设定为200-700Torr。同时将所述衬底的生长速率控制为10?2000nm/h，在分子束外延中，调控所述衬底的生长速率的反应及方法已十分成熟，在此不一一赘述。
[0041]步骤S3:打开所述PH3炉腔使PH 3进入所述反应腔，设定所述衬底的温度。
[0042]具体地，打开所述PH3炉腔，PH 3进入所述反应腔，之后将所述衬底的温度设定为220 ?370O。
[0043]步骤S4:控制所述反应腔中的PH3的压强。
[0044]具体地，所述反应腔中的PH3的压强控制在200?480Torr。
[0045]步骤S5:同时打开所述In炉腔、Ga炉腔、Bi炉腔，在所述衬底的表面生长InGaPBi薄膜。
[0046]具体地，所述InGaPBi薄膜的厚度设定为50?3000nm，在生长所述InGaPBi薄膜的过程中，所述衬底的温度控制在220?370°C。所述InGaPBi薄膜中Ga元素和Bi元素的原子百分含量可以通过控制所述In炉腔的温度、所述Ga炉腔的温度、所述Bi炉腔的温度、PH3的压强进行调控。同时通过调节所述衬底的温度可控制衬底表面P元素的沉积进而影响Bi元素的含量。通过对所述In炉腔、Ga炉腔、Bi炉腔的温度、PH3的压强以及所述衬底的温度进行设置，可得到Bi元素的原子百分含量为0.1?2.4%，Ga元素的原子百分含量
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