基于铟磷铋量子点的近红外超宽光谱发光二极管研究

Light source with a broadband spectrum plays an important role in optical coherent tomography (OCT). The axial resolution of an OCT system is inversely proportional to the full width at half maximum (FWHM) of the spectrum. The best resolution of OCT to date is 3.6 μm based on a commercial light source with 250 nm FWHM. Aiming at demonstrating electrically pumped InPBi light emitting diodes (LEDs), we intend in this proposal to study the growth and properties of InPBi QDs and regulate the optical properties by the quantum confinement of InPBi quantum dots. We intend to droplet epitaxially grow InPBi quantum dots using MBE. By optimizing growth parameters and structural design, we shall demonstrate photoluminescence at about 1.3 μm with a FWHM of 900 nm. Finally, we develop and optimize the device fabrication process to prepare the InPBi LED with the electroluminescence with a FWHM of 600 nm at room temperature. It is hopefully to improve the axial resolution of the OCT system t sub-micron level, and also promote the development of medical imaging technology.

宽光谱光源是光学相干层析成像（OCT）医学诊断技术中的关键组件。光源半峰宽越宽，OCT系统轴向分辨率越高。目前OCT系统使用的商用光源在1.3微米波段最宽半峰宽为250纳米。本项目拟采用InPBi量子点（QD）作为有源区材料构建超宽光谱发光二极管（LED）。首先采用分子束外延生长InPBi QD并探索其物性。利用QD的纳米级尺度减少Bi凝入所需的低温生长区域所占的比例，提高材料光学性质，同时设计合理结构，利用量子限制效应进一步提高辐射复合效率和调控光谱宽度，获得InPBi QD的室温光致发光，中心波长约1.3微米，半峰宽大于900纳米。最后，开发并优化LED的器件制备工艺，制备室温电泵InPBi LED，演示半峰宽大于600纳米的近红外室温电泵发光。有望在保持甚至增加穿透深度的前提下显著提高OCT系统的轴向分辨率，直至进入亚微米量级，推动医学成像技术的进一步发展。

稀铋(Bi)材料作为III-V族化合物半导体中新的一员，具有很多传统III-V族材料所不具备的特性，例如带隙收缩效应、自旋轨道分裂能大，温度敏感性较低等，是研制近、中红外光电器件的极具潜力的材料。本研究采用液滴外延方法实现了InPBi量子点材料的生长，所制备的InPBi量子点呈现中间高、两边低的扶椅形状，开口方向沿 ±[110]方向。采用扫描隧道显微镜和透射电子显微镜对InPBi量子点的结构性能做了表征，发现了Bi团簇，同时测定了Bi的组分，发现InPBi量子点埋在InPBi带中。研究了生长参数对材料的结构及光学性质的影响，研究发现InPBi QDs的发光强度随着生长温度的提高而变强，同时高能峰的相对强度变强，低能峰跃迁相对占比逐渐减小，使得总体光谱宽度变窄。通过生长优化，成功实现了InPBi量子点的室温光致发光，光谱宽度达910纳米以上。开发并优化了器件制备工艺，制备了InPBi LED，获得了室温电致发光，光谱半峰宽达到605纳米，有希望应用于光学层析成像医学诊断系统，进一步提高该系统轴向分辨率，为该种医学诊断技术提供有力的推动作用。