CN107017556B - 基于多层二维材料异质结的量子级联激光器 - Google Patents

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    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers

Abstract

基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，属于激光器技术领域。包括多层二维材料异质结的超晶格、由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔、硅衬底、沉积在衬底两侧的金电极和泵浦源；超晶格由为激光工作物质，电子在其中的子能级中跃迁并发出一定波长的激光；由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔使在超晶格中产生的光子在腔体中往复折射振荡产生高增益，并保证将所输出激光为高单色性和高方向性；衬底为高掺杂的n型硅；电极用以连接外接直流电源及工作物质；所述泵浦源为直流电源，对作为超晶格的工作物质时行激励，以实现粒子数反转。本发明量子级联激光器具有不考虑晶格失配降和材料选择丰富的优势。

Description

基于多层二维材料异质结的量子级联激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，特别涉及基于多层二维材料异质结的量子级联激光器。
背景技术
量子级联激光器(QCL)1994年由贝尔实验室的Federico Capasso和Al Cho发明，基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。由于量子级联激光器极好的波长可调谐性和很高的输出功率，引起了中远红外波段激光技术的革命，在大气检测、化学传感、分子光谱、太赫兹的自由空间通信、激光雷达等领域都有重要应用。
量子级联激光器的由半导体异质结构构成，基于能带结构工程学设计并由分子束外延技术生长为核心。量子级联激光器的有源工作层由有源区和注入区组成一个周期，有源区是耦合三量子阱结构，注入区为递变超晶格。电子在量子阱中由于量子限制效应引起分立的子能级。外场作用下，有源区三个量子阱组成最低三个子能级E1，E2，E3。E3和E2能级为电子受激跃迁的上激发态能级和下激发态能级，通过设计各阱的宽度和间隔，使E3和E2能级的能量差对应于所需激光器的激射波长。在有源区E3能级上的电子受激跃迁到E2能级并发射光子，在声子辅助下隧穿经过注入区的微带注入到下一个周期有源区的上激发态。重复上一周期的输运物理过程，一级一级传递下通过级联过程实现高功率的激光发射。
目前，量子级联激光器的核心结构是由纳米厚度的异质结周期性成长后形成的超晶格，这种超晶格由分子束外延的方法生长，这种生长方法需要在超高的真空条件。由于量子级联激光器的材料结构需要生长上千层，大大提升了制备的难度。并且生长异质结时需要考虑晶格失配的问题，使得制备时的材料必须选择晶格常数接近的材料。因此制备量子级联激光器在工艺上非常困难并且可选用的材料也非常有限。
发明内容
针对现有上述制备量子级联激光器的困难与不足，本发明提供了一种由多层的二维材料构成的异质结量子级联激光器，用以降低量子级联激光器中的制备工艺难度。该激光器包括由多层二维材料构成的超晶格、由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔、硅衬底、沉积在硅衬底两端的金属电极、泵浦源；硅衬底上是光学谐振腔的氮化硅，氮化硅上为超晶格，超晶格上为氢硅倍半环氧乙烷，超晶格位于氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷之间；两金属电极与泵浦源连接；超晶格为产生激光的工作物质，其中的量子阱产生子能级能够使电子跃迁并发出一定波长的光子；由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔使超晶格中发出的光子在腔体中反复振荡产生高增益的激光，并保证将所输出激光为高单色性和高方向性；所述硅衬底对激光器起到力学支撑及传导电子的作用；所述电极用以连接外接直流电源并向工作物质注入电子；所述泵浦源为直流电源，对作超晶格产生激励，以实现粒子数反转。
本发明的超晶格是由层与层之间依靠范德瓦尔斯力结合的二维材料构成，这类二维材料为层状结构，表面没有悬挂键，是由二硒化钼、二硒化钨、二碲化钼、二碲化钨、二硫化铼，二硒化铼、硒化镓、碲化镓、硒化铟、石墨烯、黑磷等二维材料中的两种层层交替层叠排列的，优选为二硫化钼和二硫化钨的交替排列。由于二维材料层与层之间通过范德瓦尔斯力结合成一起而不是像传统的异质结那样通过共价键结合成一起，所以采用本发明所述的二维材料可以有效地降低因为晶格失配而带来的制备困难，并且其兼容传统半导体工艺的特点也会为制备便利。
本发明所使用的构成超晶格的两种二维材料的能带导带底位置不同，形成0.2-2eV的带阶，其中优选的二硫化钼和二硫化钨导带底分别为-4.27eV和-3.96eV，带阶为0.31eV。二维材料种类丰富并且能带的位置不同，形成多种异质结的组合方式，从而可以丰富材料的选择及激光器设计。
本发明的超晶格包括10-30个周期的异质结构层叠，每个周期中包括3个宽度为1-100纳米并且相互耦合的量子阱。
本发明采用氮化硅、氢硅倍半环氧乙烷作为光学微腔，由化学气相沉积的方法制备，氮化硅、氢硅倍半环氧乙烷厚度分别为150-300纳米、200-480纳米，优选分别为200纳米和280纳米。
本发明硅衬底优选采用高掺杂的n型硅作为衬底材料，用以连接金属电极,形成欧姆接触。
本发明采用紫外曝光的方法设计电极图案，电极的图案可以是任何几何图案，电极图案平面线度为10-200微米，优选边长100微米的方块状电极。
本发明采用电子束沉积的方法制备金属电极，厚度为30-300纳米，可用金、银、铝、箔、钛等金属材料作为电极材料，优选金制备电极与泵浦源相连。
本发明以外接直流电源电作为电子的泵浦源，直流电源所提供的工作电压范围为1.0V-3.5V，优选1.5V为工作电压。
本发明的量子级联激光器由两种导带底不同并依靠范德瓦尔斯力结合的二维材料堆垛而成，具有不考虑晶格失配降和材料选择丰富的优势，极大地降低了异质结的制备难度并丰富了设计选择。
附图说明
图1为本发明所设计的量子级联激光器的结构图
图2为本发明实施例1中单个周期超晶格的排列示意图
图3为本发明实施例1中超晶格中的能级及电子跃迁示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，但不仅限于以下实施例。
实施例1
本发明以二硫化钼及二硫化钨化制备超晶格量子级联激光器作为实施例，如图1所示本量子级联激光器包括二硫化钼/二硫化钨超晶格(1)、氮化硅(Si3N4)(2)、氢硅倍半环氧乙烷(HSQ)(3)、N型硅衬底(4)、衬底两侧的金电极(5)与直流泵浦源(6)相连，其中Si3N4及HSQ作为光学微腔将超晶格夹在中间。
本实施例的超晶格是用微机械剥离的方法获得不同厚度的二维材料并用光学显微镜和原子力显微镜确定厚度，再通过湿法转移的方法将材料间隔堆叠制成，并在氢气：氩气＝1:1的气氛，600℃温度条件下退火一小时。如图2所示其中，本发明的活跃区有三个量子阱，阱内的材料为二硫化钼，第一个量子阱(W1)的二硫化钼为7纳米，第二个量子阱(W2)的二硫化钼为26纳米，第三个量子阱(W3)的二硫化钼为23纳米；隔离三个量子势阱是四层二硫化钨为材料的势垒(B1、B2、B3、B4)，层数分别为30纳米，26纳米，20纳米，20纳米，并且最外侧两层硫化钨兼作注入区。在此基础上重复10个周期形成超晶格。
本实施例以化学气相沉积的方法在硅衬底上沉积200纳米的Si3N4；将制备好的超晶格转移到Si3N4上；再将280纳米的HSQ沉积到超晶格表面。使用ICP的方法将材料刻蚀出图形，并通过紫外曝光得到边长100微米的方块图案，再使用电子束沉积的方法制备80纳米厚的金电极。
如图3所示，在工作时电子由外接电源注入到超晶格后处于高激发态E3，跃迁至低激态E2后发射出光子，然后迅速跃迁至基态E1并隧穿至下一周期重复上述过程。所发出的光子在光学微腔中开成高增益、高单色性和高方向性的激光。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明的设计思想的情况下，还可以作出材料的替换、参数的增减等若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，其特征在于，包括由多层二维材料构成的超晶格、由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔、硅衬底、沉积在硅衬底两端的金属电极、泵浦源；硅衬底上是光学谐振腔的氮化硅，氮化硅上为超晶格，超晶格上为氢硅倍半环氧乙烷，超晶格位于氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷之间；两金属电极与泵浦源连接；超晶格为产生激光的工作物质，其中的量子阱产生子能级能够使电子跃迁并发出一定波长的光子；由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔使超晶格中发出的光子在腔体中反复振荡产生高增益的激光，并保证将所输出激光为高单色性和高方向性；所述硅衬底对激光器起到力学支撑及传导电子的作用；所述电极用以连接外接直流电源并向工作物质注入电子；所述泵浦源为直流电源，对作超晶格产生激励，以实现粒子数反转；
超晶格是由层与层之间依靠范德瓦尔斯力结合的二维材料构成，这类二维材料为层状结构，表面没有悬挂键，是由二硒化钼、二硒化钨、二碲化钼、二碲化钨、二硫化铼，二硒化铼、硒化镓、碲化镓、硒化铟、石墨烯、黑磷等二维材料中的两种层层交替层叠排列的；超晶格包括10-30个周期的异质结构层叠，每个周期中包括3个宽度为1-100纳米并且相互耦合的量子阱。
2.按照权利要求1所述的基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，其特征在于，超晶格二维材料为二硫化钼和二硫化钨。
3.按照权利要求1所述的基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，其特征在于，使用的构成超晶格的两种二维材料的能带导带底位置不同，形成0.2-2eV的带阶。
4.按照权利要求1所述的基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，其特征在于，二硫化钼和二硫化钨导带底分别为-4.27eV和-3.96eV，带阶为0.31eV。
5.按照权利要求1所述的基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，其特征在于，采用氮化硅、氢硅倍半环氧乙烷作为光学微腔，由化学气相沉积的方法制备，氮化硅、氢硅倍半环氧乙烷厚度分别为150-300纳米、200-480纳米，优选分别为200纳米和280纳米。
6.按照权利要求1所述的基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，其特征在于，硅衬底采用高掺杂的n型硅作为衬底材料，用以连接金属电极，形成欧姆接触。
7.按照权利要求1所述的基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，其特征在于，采用紫外曝光的方法设计电极图案，电极的图案是任何几何图案，电极图案平面线度为10-200微米，优选边长100微米的方块状电极；采用电子束沉积的方法制备金属电极，厚度为30-300纳米，可用金、银、铝、箔、钛等金属材料作为电极材料，优选金制备电极与泵浦源相连。
8.按照权利要求1所述的基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，其特征在于，以外接直流电源电作为电子的泵浦源，直流电源所提供的工作电压范围为1.0V-3.5V，优选1.5V为工作电压。
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