CN106025798A - 一种异质结半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本文发明公开了一种异质结半导体激光器及其制备方法，利用双层Aδ堆垛黑磷烯和三层Aδδ堆垛黑磷烯通过横向连接可构成I型半导体异质结，用于在激光二极管中实现粒子数反转，能够有效的减小工作电流。所述半导体激光二极管由下至上依次包括：下电极(1)、衬底(2)、下包覆层(3)、有源层(4)、上包覆层(5)和上电极(6)。本发明选用的同种材料异质结更容易达到晶格匹配，制备工艺也更简单，仅仅通过范德瓦耳斯力就能将双层Aδ堆垛黑磷烯和三层Aδδ堆垛黑磷烯进行横向连接形成异质结。本文通过机械剥离的方法来得到不同堆垛结构的少层黑磷烯。

Description

一种异质结半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用少层黑磷烯的不同堆垛结构实现半导体激光器的方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术
半导体激光器是利用半导体材料中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称。1962年在最早的半导体激光器中观察到了低温脉冲激射，此后的时间里半导体激光器得到了飞速发展。经过多年的努力，由于MBE和MOCVD技术的成就，人们对半导体薄膜材料实现精确控制生长已成为可能，这使得半导体激光器的研制取得了显著进展，尤其是激光二极管，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器等等，是目前生产量最大的激光器。
半导体激光器中常用的工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等，这类半导体激光器通常具有体积小、重量轻、可靠性好、使用寿命长等特点。但是早期的半导体激光器激光性能受温度影响大，光束的发散角也大，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。人们也正在努力寻找更合适、无污染的新型半导体材料用于激光器。
具有原子层厚度的2D材料由于其不同于体材料的优越性质而受到人们的广泛研究，如石墨烯，MoS2等等。近年来，一种新的2D材料少层黑磷烯已经能在实验条件下通过机械剥离的方法制备得到并且受到了人们的广泛关注。体黑磷是一种具有金属光泽的晶体，可由白磷或红磷转化而来，体黑磷具有直接半导体带隙，且表现出与层数相关的特性，少层黑磷烯的电子迁移率为1000cm2/Vs，还具有非常高的漏电流调制率，使得其在未来的纳米电子器件中的应用有很大潜力。另外因其为直接带隙，其光学性质相比其他材料也有很大的优势，是目前新型二维材料研究的热点之一。
二维黑磷烯的带隙与黑磷层数相关，其能隙范围在0.3-1.5eV之间，本文通过理论计算已经证明，对于少层黑磷烯，在不同堆垛结构下，存在两种比较稳定的结构，AB型堆垛和Aδ型堆垛。单层黑磷烯具有1.5eV的直接带隙，而三层黑磷烯Aδ堆垛具有1.1eV的间接带隙，二者导带底和价带顶能级排列可组成I型半导体异质结。利用黑磷烯的不同堆垛结构具有不同带隙和能级的特点，本文提出一种用Aδ堆垛黑磷烯的不同堆垛结构实现半导体激光器的方法，所涉及的异质结由同种材料构成。相比不同材料构成的异质结，该方法制备条件更方便，成本低廉，可以有效的进行电能到光能的转化。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种异质结半导体激光器及其制备方法，使用二维材料黑磷烯的不同堆垛结构组成I型异质结制备半导体激光器，降低制备成本，提高半导体激光器的效率。
2.技术方案：本发明所述的一种异质结半导体激光器，用Aδ堆垛黑磷烯的不同堆垛结构实现半导体激光器，该异质结半导体激光器的结构自下而上包括：下电极、衬底、下包覆层、有源层、上包覆层和上电极；其中，有源层为量子阱区，激光器的两端形成光非吸收窗口，其深度大于所述电极上包覆层以及有源区的厚度之和。
所述的异质结半导体激光器中，HD型异质结半导体激光器的有源层为一个横向异质结，横向异质结由三层Aδδ堆垛和双层Aδ堆垛的黑磷烯构成；上包覆层和下包覆层分别为p型黑磷烯和n型黑磷烯。
所述的异质结半导体激光器中，上包覆层为p型黑磷烯半导体，下包覆层为n型黑磷烯半导体，都为AB堆垛结构，上包覆层和下包覆层材料的厚度可以加工到10-20nm。
有源层为一个横向异质结，由三层Aδδ堆垛和双层Aδ堆垛的黑磷烯构成；AB堆垛为黑磷烯的稳定结构，Aδ堆垛为黑磷烯的亚稳态结构；AB堆垛黑磷烯的第二层相当于相对第一层沿a方向移动了半个周期，Aδ的结构相当于第二层相对于第一层结构移动了小于半个周期的距离，约0.2-0.3个周期的距离。
Aδ堆垛黑磷烯通过探针剥离的方法将AB型结构进行错位得到。
所采用的异质结为I型异质结结构，所谓I型异质结通常定义为该异质结的能带结构表现为：窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，ΔEc(窄带与宽带导带底能量差)和ΔEv(窄带与宽带价带顶能量差)的符号相反；因此本结构就定义为Aδ堆垛黑磷烯的CBM(导带底)在Aδδ堆垛的CBM之上，而VBM(价带顶)则在Aδδ堆垛的VBM之下。这种异质结能够有效的实现粒子数反转，提高半导体激光器的工作效率。
本发明的异质结半导体激光器的制备方法包括以下步骤：
a.衬底的制备：采用n型硅作为衬底；
n-Si衬底清洗：以n-Si(111)片为衬底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管中进行沉积处理；石英管的真空度为10-2-10-3Pa，加热到300℃左右维持10-15分钟，以去除硅片表面的水汽；
b.少层黑磷烯的制备：体黑磷通过在高温高压下对其同质异形体白磷或红磷进行处理得到：
1)将白磷在1000-1200Pa大气压下加热到200-250℃，得到片状黑磷；通过机械剥离方法从黑磷晶体剥离出多层黑磷烯；然后再通过Ar+等离子体剥离方法剥离得到少层黑磷烯；
得到层状的黑磷烯：首先获取块体，然后将块体浸入过氧化氢异丙苯CHP的溶剂中，再使用超声波超声10-15分钟，最后，使用离心机使其分离得到层状物；
2)用Si基板捞出黑磷烯薄膜，放在50-60℃的加热台上烘干，去除黑磷烯薄膜与Si基板之间的水分，同时将少层黑磷烯更牢固的与Si基板结合；
3)步骤2)得到的少层黑磷烯结构通常为多层的AB堆垛结构，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离掉多余的黑磷得到适当层数的黑磷烯；
4)对得到的黑磷烯进行n型掺杂，掺杂方法采用主流的注入、扩散掺杂工艺，Aδδ堆垛和双层Aδ堆垛在电子显微镜下，使用探针对其结构进行剥离，移动层与层之间的相对距离，得到所要求的结构；二者通过相互之间的范德瓦耳斯力相结合形成横向异质结；
5)上包覆层p型黑磷烯半导体同样按照步骤4)中的方法进行p型掺杂得到；
6)在上述条件下，通过表面蒸镀金属的方法，在上、下层分别蒸镀一层薄铝层，作为上、下背电极；其中，上电极占AB型双层黑磷薄膜总面积的10％到15％。
图2中，单层黑磷烯与A8型三层黑磷烯组成的异质结为半导体激光器的核心部分，在注入电流的情况下，能将电能转化成光能。其原因在于：当单层黑磷烯薄膜与Aδ型三层相接触时，由于两者的能带结构不同，两者导带底CBM和价带顶VBM的排列组成了I型半导体，在接触界面形成耗尽层，在施加偏压的情况下，大量的电子和空穴将注入并穿过耗尽区，使得耗尽区中存在大量载流子。结边界的区间内包含高浓度处于导带的电子和处于价带的空穴。当浓度足够高时，就会形成粒子数反转。而半导体激光器的核心原理就是粒子数的反转。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.使用不同的堆垛结构通过横向连接形成I型异质结作为激光器的主体，能降低注入电流，能有效的提高激光器转化效率。
2.本发明中选取的二维材料黑磷，可以把半导体激光器做得很薄。
3.本发明异质结采用的是同一种材料，异质结组合更容易达到晶格匹配，制备异质结薄膜的工艺方法相比不同材料构成的异质结也更为便捷简单。
附图说明
图1为两种不同堆垛的结构示意图，上下两层分别用灰色和黑色表示：(a)Aδ堆垛双层黑磷烯的顶视图和侧视图；(b)AB堆垛黑磷烯的顶视图和侧视图。
图2为本发明提供的双层黑磷不同堆垛结构异质结半导体激光器的结构示意图。
图3为双层Aδ堆垛黑磷烯和三层Aδδ堆垛黑磷烯的能带排列。
具体实施方式
a.衬底的制备：采用n型硅作为衬底；
n-Si衬底清洗：以n-Si(111)片为衬底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管中进行沉积处理；石英管的真空度为10-2Pa左右，加热到300℃左右维持10-15分钟，以去除硅片表面的水汽；
b.少层黑磷烯的制备：体黑磷通过在高温高压下对其同质异形体白磷或红磷进行处理得到：
1)将白磷在1200大气压下加热到200℃，得到片状黑磷；通过机械剥离方法从黑磷晶体剥离出多层黑磷烯；然后再通过Ar+等离子体剥离方法剥离得到少层黑磷烯；
得到层状的黑磷烯：首先获取块体，然后将块体浸入过氧化氢异丙苯CHP的溶剂中，再使用超声波超声10-15分钟，最后，使用离心机使其分离得到层状物；
2)用Si基板捞出黑磷烯薄膜，放在50-60℃的加热台上烘干，去除黑磷烯薄膜与Si基板之间的水分，同时将少层黑磷烯更牢固的与Si基板结合；
3)步骤2)得到的少层黑磷烯结构通常为多层的AB堆垛结构，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离掉多余的黑磷得到适当层数的黑磷烯；
4)对得到的黑磷烯进行n型掺杂，掺杂方法采用主流的注入、扩散掺杂工艺，Aδδ堆垛和双层Aδ堆垛在电子显微镜下，使用探针对其结构进行剥离，移动层与层之间的相对距离，得到所要求的结构；二者通过相互之间的范德瓦耳斯力相结合形成横向异质结；
5)上包覆层p型黑磷烯半导体同样按照步骤4)中的方法进行p型掺杂得到；
6)在上述条件下，通过表面蒸镀金属的方法，在上、下层分别蒸镀一层薄铝层，作为上、下背电极；其中，上电极占AB型双层黑磷薄膜总面积的10％到15％。
(7)在上述条件下，通过表面蒸镀金属的方法，在上下层分别蒸镀一层较薄的铝层，作为上、下背电极。其中，上电极占AB型双层黑磷烯薄膜总面积的10％到15％。

Claims (7)

1.一种异质结半导体激光器其特征在于，用Aδ堆垛黑磷烯的不同堆垛结构实现半导体激光器，该异质结半导体激光器的结构自下而上包括：下电极(1)、衬底(2)、下包覆层(3)、有源层(4)、上包覆层(5)和上电极(6)；其中，有源层(4)为量子阱区，激光器的两端形成光非吸收窗口(7)，其深度大于所述电极上包覆层(5)以及有源区(4)的厚度之和。
2.根据权利要求1所述的异质结半导体激光器，其特征在于，所述的异质结半导体激光器中，HD型异质结半导体激光器的有源层为一个横向异质结，横向异质结由三层Aδδ堆垛和双层Aδ堆垛的黑磷烯构成；上包覆层和下包覆层分别为p型黑磷烯和n型黑磷烯。
3.根据权利要求1所述的异质结半导体激光器，其特征在于，所述的异质结半导体激光器中，上包覆层(5)为p型黑磷烯半导体，下包覆层(3)为n型黑磷烯半导体，都为AB堆垛结构，上包覆层和下包覆层材料的厚度可以加工到10-20nm。
4.根据权利要求1所述的异质结半导体激光器，其特征在于，有源层(4)为一个横向异质结，由三层Aδδ堆垛和双层Aδ堆垛的黑磷烯构成；AB堆垛为黑磷烯的稳定结构，Aδ堆垛为黑磷烯的亚稳态结构；AB堆垛黑磷烯的第二层相当于相对第一层沿a方向移动了半个周期，Aδ的结构相当于第二层相对于第一层结构移动了小于半个周期的距离，约0.2-0.3个周期的距离。
5.根据权利要求1所述的异质结半导体激光器，其特征在于，Aδ堆垛黑磷烯通过探针剥离的方法将AB型结构进行错位得到。
6.根据权利要求1所述的异质结半导体激光器，其特征在于，所采用的异质结为I型异质结结构，所谓I型异质结通常定义为该异质结的能带结构表现为：窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，ΔEc(窄带与宽带导带底能量差)和ΔEv(窄带与宽带价带顶能量差)的符号相反；因此本结构就定义为Aδ堆垛黑磷烯的CBM(导带底)在Aδδ堆垛的CBM之上，而VBM(价带顶)则在Aδδ堆垛的VBM之下。这种异质结能够有效的实现粒子数反转，提高半导体激光器的工作效率。
7.一种如权利要求1所述的异质结半导体激光器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
a.衬底的制备：采用n型硅作为衬底；
n-Si衬底清洗：以n-Si(111)片为衬底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管中进行沉积处理；石英管的真空度为10-2-10-3Pa，加热到300℃左右维持10-15分钟，以去除硅片表面的水汽；
b.少层黑磷烯的制备：体黑磷通过在高温高压下对其同质异形体白磷或红磷进行处理得到：
1)将白磷在1000-1200Pa大气压下加热到200-250℃，得到片状黑磷；通过机械剥离方法从黑磷晶体剥离出多层黑磷烯；然后再通过Ar+等离子体剥离方法剥离得到少层黑磷烯；
得到层状的黑磷烯：首先获取块体，然后将块体浸入过氧化氢异丙苯CHP的溶剂中，再使用超声波超声10-15分钟，最后，使用离心机使其分离得到层状物；
2)用Si基板捞出黑磷烯薄膜，放在50-60℃的加热台上烘干，去除黑磷烯薄膜与Si基板之间的水分，同时将少层黑磷烯更牢固的与Si基板结合；
3)步骤2)得到的少层黑磷烯结构通常为多层的AB堆垛结构，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离掉多余的黑磷得到适当层数的黑磷烯；
4)对得到的黑磷烯进行n型掺杂，掺杂方法采用主流的注入、扩散掺杂工艺，Aδδ堆垛和双层Aδ堆垛在电子显微镜下，使用探针对其结构进行剥离，移动层与层之间的相对距离，得到所要求的结构；二者通过相互之间的范德瓦耳斯力相结合形成横向异质结；
5)上包覆层p型黑磷烯半导体同样按照步骤4)中的方法进行p型掺杂得到；
6)在上述条件下，通过表面蒸镀金属的方法，在上、下层分别蒸镀一层薄铝层，作为上、下背电极；其中，上电极占AB型双层黑磷薄膜总面积的10％到15％。
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