CN113871515A - 一种波导集成的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波导集成的发光二极管，本发明首次以N型硫化镉纳米带和P型单层硒化钨构建PN结，通过在PN结两端施加一个正向偏压，成功实现了基于硫化镉和硒化钨PN结的发光二极管，并利用硫化镉与硒化钨的波导耦合结构，进一步实现了一种波导集成的发光二极管。本发明对现代集成芯片中硅上光源集成及光源与波导结构耦合难题的解决，具有重要的参考价值和工业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种波导集成的发光二极管；特别涉及一种以N型硫化镉纳米带和P型硒化钨纳米材料构建PN结的波导集成的发光二极管。
背景技术
纳米光子学当前面临的挑战之一是开发高速，高能效，以及芯片集成的光通信设备，以解决高速计算系统中的互连瓶颈。硅光子学已经成为一种领先的体系结构，部分原因是人们希望将许多组件(例如波导，耦合器，干涉仪和调制器)直接集成到基于硅的处理器中。但是，当前常用的光源集成方法是基于III–V族材料激光器的芯片外集成，光源的集成仍存在很大的挑战。
发光二极管(LED)是上个世纪最重要的光电创新之一，并且在2014年获得了诺贝尔奖。而基于二维材料和波导异质结构的发光二极管可以被用作光源的集成以及实现微芯片上设备之间更快的通信。此外，基于二维材料的发光二极管对柔性和透明电子产品的应用也具有巨大潜在价值。相比于晶体管、传感器以及光探测器等纳米光电子器件的研究，单纳米光源、波导集成发光二极管器件的进展却十分缓慢，并面临很大的挑战。因此开发出波导集成的发光二极管器件对下一代光电子集成系统的发展具有重大的意义。
截止目前为止，还未有在N型硫化镉纳米带和P型硒化钨纳米材料异质结上实现波导集成发光二极管器件，并且此器件具有CMOS兼容性。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种波导集成的发光二极管。
本发明一种波导集成的发光二极管，所述二极管为波导集成发光二极管，单个二极管包括单根单晶硫化镉纳米带、单层硒化钨纳米结构、2个金属电极；
将所述的硫化镉纳米带转移到单层硒化钨材料上并构成PN结，PN结的两端分别与2个金属电极相连；然后通过金属电极施加正向偏压。
做为优选方案；将所述的硫化镉纳米带通过干法转移的方法转移到单层硒化钨材料上并构成PN结。
本发明一种波导集成的发光二极管，还包括电压源表。所述电压源表与二极管的两个电极相连。二极管工作时，电压源表通过金属电极施加正向偏压。所述的电压源表为Keithley2400。
所述的金属电极具有预先设计的图案，使用电子束曝光工艺制备。
本发明一种波导集成的发光二极管，所述的单晶硫化镉纳米带的厚度为120-130纳米，宽度为5-8微米，长度为25-35微米。所述的硒化钨纳米材料的厚度为0.7-0.8纳米，边长为30-35微米。
本发明一种波导集成的发光二极管，发光二极管的光谱中心为745纳米。
本发明一种波导集成的发光二极管，硒化钨的发光是通过倏逝波耦合的方式耦合进硫化镉纳米带中，并在硫化镉纳米带中波导。
本发明一种波导集成的发光二极管，硫化镉端部波导光的光谱中心也为745纳米。
本发明一种波导集成的发光二极管，单晶硫化镉纳米带的制备方法，包括下列步骤：
将硫化镉粉末作为源放入陶瓷舟中，然后将陶瓷舟放入炉中加热，最后将镀有金膜的硅片放置在石英管的下游位置进行沉积；在生长之前，用高纯氩气以45-65sccm的流量冲洗石英管；然后在25-35分钟内将炉温升至780-820℃，并保持恒温80-120分钟；整个生长过程保持在280-320Torr的压力下；最后，将炉膛自然冷却至室温，沉积时镀有金膜的硅片所在区间的温度为400-500℃、优选为445-455℃、进一步优选为448-452℃。
本发明一种波导集成的发光二极管，硒化钨纳米材料的制备方法，包括下列步骤：
将硒化钨粉末放在炉子的中心，并将一块SiO2/Si衬底放在石英管的下游。在生长之前，用高纯氩气以400-450sccm的流量冲洗石英管15-20分钟；然后将氩气的流量控制在50-60sccm，然后在35-40分钟内将炉温升至1100-1150℃，并保持恒温10-15分钟；整个生长过程保持在8-9Torr的压力下；最后，将炉膛自然冷却至室温；沉积时，衬底所在区间的温度为600-700℃、优选为645-655℃、进一步优选为648-652℃。
本发明一种波导集成的发光二极管，所述硫化镉粉末的纯度大于等于99.999％；所述硒化钨粉末的纯度大于等于99.99％，所述高纯氩气的纯度大于等于99.999％。
本发明一种波导集成的发光二极管，所述的金属电极是通过下列步骤制备的：
取一块SiO2/Si衬底，旋涂一层PMMA胶，经过电子束曝光后显影，在PMMA胶上形成具有预先设计的图案；然后将SiO2/Si衬底放入热蒸发仪器中蒸金，经过金属剥离洗涤，干燥后可形成具有图案的金属电极。
在实际应用时，所述的金属电极具有预先设计的图案，使用电子束曝光工艺制备，然后通过键合机以键合的方式将微米电极(即本发明的金属电极)引出并通过电压源表施加偏压。
本发明一种波导集成的发光二极管，加热炉的型号为OTF-1200X。
本发明首次在N型硫化镉纳米带和P型硒化钨纳米材料异质结上实现了波导集成的发光二极管器件，并且此器件具有CMOS兼容性。
本发明以N型硫化镉纳米带和P型单层硒化钨构建PN结，通过在PN结两端施加一个正向偏压，成功实现了基于硫化镉和硒化钨PN结的发光二极管，并利用硫化镉与硒化钨的波导耦合结构，进一步实现了一种波导集成的发光二极管。对现代集成芯片中硅上光源集成及光源与波导结构耦合难题的解决，具有重要的参考价值和工业应用价值。
附图说明
附图1为波导集成发光二极管的器件结构示意图。
附图2由图2a-图2c构成。
附图2a为纯的硫化镉和硒化钨材料以及异质结区域硫化镉和硒化钨材料的稳态光谱。
附图2b为纯的硒化钨材料以及异质结区域硒化钨材料的寿命。
附图2c为纯的硫化镉材料以及异质结区域硫化镉材料的寿命。
附图3由图3a-图3b构成。
附图3a为纯的硫化镉材料的转移特性曲线。
附图3b为纯的硒化钨材料栅压依赖的转移特性曲线。
附图4由图4a-图4b构成。
附图4a为波导集成发光二极管的发光图片。
附图4b为波导集成发光二极管原位和波导位置的发光光谱。
具体实施方式
先结合附图对本发明作进一步描述
实施例1
将硫化镉粉末(99.999％Alfa Aesar)作为源放入陶瓷舟中，然后将陶瓷舟放入炉中加热(OTF-1200X)，最后将镀有金膜的硅片放置在石英管的下游位置进行沉积；在生长之前，用高纯氩气(99.999％)以45-65sccm的流量冲洗石英管；然后在25-35分钟内将炉温升至780-820℃，并保持恒温80-120分钟；整个生长过程保持在280-320Torr的压力下；最后，将炉膛自然冷却至室温；沉积时，镀有金膜的硅片所在区间的温度为448-452℃。
将硒化钨粉末放在炉子的中心，并将一块SiO2/Si衬底放在石英管的下游。在生长之前，用高纯氩气以400sccm的流量冲洗石英管15分钟。然后将氩气的流量控制在50sccm，在35-40分钟内将炉温升至1100℃，并保持恒温10分钟。整个生长过程保持在8Torr的压力下；最后，将炉膛自然冷却至室温；沉积时，衬底所在区间的温度为648-652℃。
取一块生长有单层WSe2的SiO2/Si衬底，旋涂一层PMMA胶，经过电子束曝光后显影，在PMMA胶的特定位置上形成具有预先设计的图案；然后将SiO2/Si衬底放入热蒸发仪器中蒸金，经过金属剥离洗涤，干燥后可形成具有图案的金属电极。然后再将生长的硫化镉纳米带定点转移到金属电极上，并确保硫化镉纳米带与单层WSe2接触，制备出波导集成的发光二极管器件。
通过在PN结两端施加一个正向偏压，成功实现了基于硫化镉和硒化钨PN结的发光二极管，并利用硫化镉与硒化钨的波导耦合结构，进一步实现了一种波导集成的发光二极管。
实施例2对硫化镉和硒化钨PN结的能带结构和电学极性进行了研究
对比纯的硫化镉和硒化钨材料，异质结区域的稳态光谱发生了淬灭。此外，异质结区域硫化镉和硒化钨材料光致发光的寿命也变短了，这表明硫化镉和硒化钨PN结属于TypeII的能带排布结构。
从硫化镉和硒化钨的转移曲线可以看出，随着栅压的增加，硫化镉的源漏电流增加，而硒化钨的源漏电流减小。这表明CdS是一个N型半导体，WSe2是一个P型半导体。
对比例1
将生长时间缩短为五分钟，其他条件与实施例1中制备单晶硫化镉纳米结构的条件完全相同，衬底上几乎得不到单晶的硫化镉纳米带。
对比例2
在PN结两端施加一个反向偏压，其他条件与实施例1中条件完全相同，没有看到电致发光现象产生。
Claims (10)
1.一种波导集成的发光二极管，其特征在于：所述二极管为波导集成发光二极管，单个二极管包括单根单晶硫化镉纳米带、单层硒化钨纳米结构、2个金属电极；
所述的硫化镉纳米带通过干法转移的方法转移到单层硒化钨材料上并构成PN结，PN结的两端分别与2个金属电极相连；然后通过金属电极施加正向偏压。
2.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：所述的单晶硫化镉纳米带的厚度为120-130纳米，宽度为5-8微米，长度为25-35微米；所述的硒化钨纳米材料的厚度为0.7-0.8纳米，边长为30-35微米。
3.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：发光二极管的光谱中心为745纳米。
4.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：波导集成发光二极管还含有电压源表，所述电压源表为Keithley 2400。
5.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：硒化钨的发光是通过倏逝波耦合的方式耦合进硫化镉纳米带中，并在硫化镉纳米带中波导。
6.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：硫化镉端部波导光的光谱中心也为745纳米。
7.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：单晶硫化镉纳米带的制备方法，包括下列步骤：
将硫化镉粉末作为源放入陶瓷舟中，然后将陶瓷舟放入炉中加热，最后将镀有金膜的硅片放置在石英管的下游位置进行沉积；在生长之前，用高纯氩气以45-65sccm的流量冲洗石英管；然后在25-35分钟内将炉温升至780-820℃，并保持恒温80-120分钟；整个生长过程保持在280-320Torr的压力下；最后，将炉膛自然冷却至室温；沉积时，镀有金膜的硅片所在区间的温度为400-500℃、优选为445-455℃。
8.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：硒化钨纳米材料的制备方法，包括下列步骤：
将硒化钨粉末放在炉子的中心，并将一块SiO2/Si衬底放在石英管的下游。在生长之前，用高纯氩气以400-450sccm的流量冲洗石英管15-20分钟；然后将氩气的流量控制在50-60sccm，然后在35-40分钟内将炉温升至1100-1150℃，并保持恒温10-15分钟；整个生长过程保持在8-9Torr的压力下；最后，将炉膛自然冷却至室温；沉积时，衬底所在区间的温度为600-700℃、优选为645-655℃。
9.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：所述硫化镉粉末的纯度大于等于99.999％；所述硒化钨粉末的纯度大于等于99.99％，所述高纯氩气的纯度大于等于99.999％。
10.根据权利要求1所述的一种波导集成的发光二极管，其特征在于：所述的金属电极是通过下列步骤制备的：
取一块SiO2/Si衬底，旋涂一层PMMA胶，经过电子束曝光后显影，在PMMA胶上形成具有预先设计的图案；然后将SiO2/Si衬底放入热蒸发仪器中蒸金，经过金属剥离洗涤，干燥后可形成具有图案的金属电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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