CN116979371A - 一种tmdc激光器结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TMDC激光器结构及其制作方法，属于新型半导体激光器技术领域。TMDC激光器结构，包括依次连接的衬底、第一DBR材料层、有源层以及第二DBR材料层，所述第二DBR材料层的反射率小于所述第一DBR材料层的反射率。本发明采用二维有源材料以实现激光的输出，在有源层的上下方使用DBR材料，DBR材料是周期性交替堆叠的折射率相差较大的材料，包括半导体DBR和电介质DBR，它们在激光器中充当反射镜的作用对激光光谱起选择性作用。
Description
技术领域
本发明涉及新型半导体激光器技术领域，具体涉及一种TMDC激光器结构及其制作方法。
背景技术
二维过渡金属硫族化合物(TMDC)具有独特的优势,可以作为增益材料实现激光发射。TMDC材料固有的强库仑相互作用和弱的介电屏蔽效应使其具有大的激子结合能,从而有助于实现室温下稳定的激子发光,其高达6～7的折射率能够提高光约束能力,原子层表面没有悬空键,当与硅基半导体器件连接时,能够避免晶格失配。这些独特性质使其成为极具潜力的增益材料,可以与硅基微腔连接构成激光器件,原子级厚度和近红外的光谱辐射能使其与集成器件互联。
基于二维材料的激光器使用的微腔包括微球、微盘、光子晶体、光栅或DBR,相比于半导体材料的垂直腔面发射激光器,其微腔结构更加多样。但是目前的TMDC激光器还处于小面积研发阶段,不能大面积集成。在激光输出功率方面,TMDC激光器的功率远低于成熟的半导体垂直腔面发射激光器器件。总的来说,TMDC具有体积小、阈值低等优点,但是在电泵浦、集成化、功率提升方面还存在很大的挑战。将TMDC与TMDC激光器的优势结合起来,实现低阈值、高密度集成、大功率等特点的激光器件是未来努力的方向。选择合适的二维材料做TMDC激光器的有源区，能够覆盖低耗损光通讯波段，满足长距离光通讯的要求。
2017年，黄维院士课题组与新加坡南洋理工大学于霆教授的合作团队合作，采用二维半导体材料二硫化钨(WS2)作为增益介质并利用超薄的垂直谐振腔结构，在光泵下实现了室温低阈值连续的激光发射。验证了二维材料激光器的可行性，但是该方案是光泵浦的，并且是可见光波段，不适用于光通讯应用。2022年中国科学院发明公开了一种基于TiS3的垂直激光器(CN 113839306 B)，该激光器结构是基于TiS3材料的1260～1360nm波段的光泵浦激光器结构。该结构也不能实现电泵浦，没法做到真正实用，为了解决这些问题，我们提出一种实现电泵浦的TMDC激光器结构方案，二维材料构成的有源区下方是半导体DBR，有源区上方键合半导体DBR或者半导体介质混合DBR，同时将湿法氧化层引入二维材料激光器的下方半导体DBR结构中实现电流和光场和横向限制，提高二维材料激光器的效率和输出光功率。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种TMDC激光器结构及其制作方法，设计的TMDC激光器以InP为衬底,对于上下反射镜使用半导体DBR材料或者电介质DBR材料，DBR使用折射率相差较大的材料周期性交替叠加形成，上层DBR为5-20个周期，下层为10-30个周期。有源区为二维材料。在激光器的上方添加金属电极，使电子注入在激光的产生中起到作用，同时通过调整电极的驱动电压和电流，可以控制激光器的输出功率、频率和脉冲宽度等参数，以此高效获得常用波段的激光，改进了原有激光器的波长限制和不能使用电子注入等一系列缺陷。
为此，本发明所采取的技术方案是：
根据本发明的第一技术方案，提供一种TMDC激光器结构，包括依次连接的衬底、第一DBR材料层、有源层以及第二DBR材料层，所述第二DBR材料层的反射率小于所述第一DBR材料层的反射率。
进一步地，所述第一DBR材料层和所述第二DBR材料层均采用不同折射率的至少两种材料周期性交替堆叠而成。
进一步地，所述第一DBR材料层的周期为10-30，所述第二DBR材料层的周期为5-20。
进一步地，所述第一DBR材料层和所述第二DBR材料层均采用半导体DBR和电介质DBR周期性交替堆叠而成。
进一步地，所述第一DBR材料层和所述第二DBR材料层均采用InP/InGaAsP或AlGaAs/AlGaAs或TiO2/SiO2或Si/SiO2或InP/InGaAsP周期性交替堆叠而成。
进一步地，所述有源层包括能带带隙为0.7-0.95ev的二维材料层。
进一步地，所述二维材料层为能带带隙为0.8-0.9ev的Bi2O2Se。
进一步地，所述衬底采用InP或GaAs材料制作而成。
根据本发明的第二技术方案，提供一种如上所述的TMDC激光器结构的制作方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1；准备衬底；
步骤2：在所述衬底上制备多种不同折射率的材料交替堆叠的DBR薄膜作为第一DBR材料层；
步骤3：在所述第一DBR材料层上生长有源层；
步骤4：在所述衬底上制备多种不同折射率的材料交替堆叠的DBR薄膜作为第二DBR材料层。
进一步地，所述步骤2，具体包括：
通过在衬底表面化学反应，使气相中的前体分子沉积在衬底表面，形成SiO2/TiO2薄膜；
所述前体分子分别为SiCl4和O2，TiCl4和O2；其中SiO2的沉积温度为150-300℃，TiO2的沉积温度为400-600℃，沉积SiO2时，压力在1-10torr之间，沉积TiO2时，压力在10-100torr之间，SiCl4和TiCl4的流量可以分别控制在10-100sccm之间，O2的流量控制在50-500sccm之间；
准备纯度高的SiO2和TiO2靶材，并设置真空系统，将衬底和靶材放置在真空系统中，实施溅射步骤，调整离子束溅射设备的参数对于离子束能量：
SiO2溅射：设置在200至1000电子伏特之间；
TiO2溅射：设置在200至1500电子伏特(eV)之间；
对于离子束流强度，SiO2溅射：设置在10至100毫安培之间；TiO2溅射：设置在10至150毫安培之间；
对于溅射时间，SiO2溅射时间：设置在10至60分钟之间，TiO2溅射时间：设置在10至120分钟之间；
使用SiO2靶材进行溅射，将SiO2薄膜沉积在衬底上，控制溅射时间达到所需的薄膜厚度，清洗后进行交替堆叠；
使用TiO2靶材进行溅射时，将TiO2薄膜沉积在SiO2薄膜上，控制溅射时间以达到所需的TiO2薄膜厚度；
交替堆叠SiO2和TiO2薄膜形成第一DBR材料层。
本发明的有益效果是：
本发明采用二维有源材料以实现激光的输出，在有源层的上下方使用DBR材料，DBR材料是周期性交替堆叠的折射率相差较大的材料，包括半导体DBR和电介质DBR，它们在激光器中充当反射镜的作用对激光光谱起选择性作用。在激光器的上方进行电极添加金属电极，这使得激光器可以实现电子注入来激发载流子从而产生激光，同时通过调整电极的驱动电压和电流，可以控制激光器的输出功率、频率和脉冲宽度等参数，引入氧化层使二维材料激光器实现电流限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是根据本发明实施例的一种TMDC激光器结构的平面结构图。
图2是根据本发明实施例的一种TMDC激光器结构的立体结构图。
附图标记说明：1、衬底；2、第一DBR材料层；3、有源层；4、第二DBR材料层。
具体实施方式
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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种TMDC激光器结构，如图1和图2所示，该TMDC激光器结构包括依次连接的衬底1、第一DBR材料层2、有源层3以及第二DBR材料层4，所述第二DBR材料层2的反射率小于所述第一DBR材料层4的反射率。
本实施例中，衬底可采用InP，GaAs等材料，InP具有高迁移率，较小的晶格常数使得它与许多其他材料的晶格匹配程度更好，较高的热稳定性使其可以再高温下工作。
该TMDC激光器中的第一DBR材料层2和第二DBR材料层4可采用的是InP/InGaAsP，AlGaAs/AlGaAs，TiO2/SiO2，Si/SiO2，InP/InGaAsP等交替材料，通过堆积不一样的材料实现反射镜的作用。它们具有折射率差，因此在它们交替堆积时可以形成明显的反射峰，提供高反射率。另外如上所描述的交替材料在常规的加工条件下都是非常稳定的材料，不易受到光、热、湿度等环境的影响，从而提供了良好的使用寿命。
该TMDC激光器中的有源层3采用了能带带隙为0.8ev左右的二维材料，作为一种新型二维材料，Bi2O2Se有众多优点，同时能带带隙为0.85ev左右，使激光器输出1550nm波段光成为可能。在激光器的上方添加金属电极，使该激光器可以通过电子注入实现，同时通过调整电极的驱动电压和电流，可以控制激光器的输出功率、频率和脉冲宽度等参数。引入氧化层使二维材料激光器实现电流限制。在有源层上下方添加DBR材料，DBR材料使用折射率相差较大的材料周期性交替堆叠，包括半导体DBR和电介质DBR作为激光器的反射镜，提高反射率，实现所需求波段光的输出。最后设置包层膜，限制光在垂直方向传播，实现TMDC激光器。
本发明实施例还提供了如上所述的TMDC激光器结构的制作方法，该制作
方法具体包括如下步骤：
步骤1：准备高质量的InP衬底
步骤2：在制备交替堆叠的DBR薄膜时，常用的方法包括化学气相沉积(CVD)、离子束沉积(IBD)和溅射等。
生长SiO2/TiO2使用CVD法时通过在衬底表面化学反应，使气相中的前体分子沉积在衬底表面，形成薄膜。在制备SiO2/TiO2薄膜时，常用的前体分子分别为SiCl4和O2，TiCl4和O2，反应条件包括温度、压力和气体流量等。其中SiO2的沉积温度较低，大约为150-300℃，而TiO2的沉积温度较高，大约为400-600℃。沉积SiO2时，压力可以相对较低，大约在1-10torr之间，而沉积TiO2时，压力应该相对较高，大约在10-100torr之间，SiCl4和TiCl4的流量可以分别控制在10-100sccm之间，而O2的流量通常在50-500sccm之间。
在制备SiO2/TiO2薄膜时，需要控制反应条件以获得高质量的薄膜。使用离子束沉积(IBD)和溅射方法时，先准备纯度高的SiO2和TiO2靶材，然后设置真空系统：将衬底和靶材放置在真空系统中。确保系统的真空度达到所需的要求。
实施溅射步骤，调整离子束溅射设备的参数对于离子束能量：SiO2溅射：设置在200至1000电子伏特(eV)之间。TiO2溅射：设置在200至1500电子伏特(eV)之间。对于离子束流强度，SiO2溅射：设置在10至100毫安培(mA/cm2)之间。TiO2溅射：设置在10至150毫安培(mA/cm2)之间。对于溅射时间，SiO2溅射时间：设置在10至60分钟之间，TiO2溅射时间：设置在10至120分钟之间，根据所需生长速率进行调整。
使用SiO2靶材进行溅射，将SiO2薄膜沉积在衬底上。控制溅射时间达到所需的薄膜厚度，清洗后进行交替堆叠：使用TiO2靶材进行类似的溅射过程，将TiO2薄膜沉积在SiO2薄膜上。控制溅射时间以达到所需的TiO2薄膜厚度。确保沉积的TiO2薄膜的质量和厚度均匀性。重复以上步骤，交替堆叠SiO2和TiO2薄膜，直到达到所需的DBR结构。每层材料均控制在388nm左右，可堆积10-30层。
步骤3：生长有源区时，对于Bi2S2O2材料通过物理气相沉积(PVD)等技术生长Bi2O2Se有源材料薄膜。具体地，使用分子束外延(MBE)系统，在高真空环境下，将Bi、O2、Se等源材料以特定的比例蒸发到衬底表面，形成Bi2O2Se薄膜。对于其他带隙处于0.8ev的材料也可使用MBE，MOCVD等方法生成，形成有源层。
步骤4：生长上DBR具体步骤与下DBR的生长和堆积相同，但要注意一点，上DBR的周期要略小于下DBR周期，即上反射率略小于下反射率，使激光可以从TMDC激光器上方输出。
步骤5：清洗和加工生长完TMDC激光器样品后，需要进行清洗和加工。一般来说，可以采用浓硫酸和过氧化氢的混合液进行清洗，去除表面的有机物和杂质。之后，可以使用光刻和蚀刻等技术进行样品加工，以获得所需的器件结构和尺寸。
综上所述，本发明揭示了一种TMDC激光器设计方案，在本专利说明中使用带隙为0.85ev左右的新型二维材料Bi2S2O2，通过使用分子束外延(MBE)等技术，在高真空环境下，将Bi、O2、Se等源材料以特定的比例蒸发到衬底表面。在激光器上方添加金属电极，使电子注入产生激光成为可能，同时控制激光同时通过调整电极的驱动电压和电流，可以控制激光器的输出功率、频率和脉冲宽度等参数，引入氧化层使二维材料激光器实现电流限制。对于DBR材料，可以使用TiO2/SiO2等交替堆叠，既易于制备且容易实现衬底的生长。利用新型二维材料Bi2O2Se的能带带隙的特性设计了该激光器，使其作用更趋向于实际化。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种TMDC激光器结构，其特征在于，包括依次连接的衬底、第一DBR材料层、有源层以及第二DBR材料层，所述第二DBR材料层的反射率小于所述第一DBR材料层的反射率。
2.根据权利要求1所述的TMDC激光器结构，其特征在于，所述第一DBR材料层和所述第二DBR材料层均采用不同折射率的至少两种材料周期性交替堆叠而成。
3.根据权利要求2所述的TMDC激光器结构，其特征在于，所述第一DBR材料层的周期为10-30，所述第二DBR材料层的周期为5-20。
4.根据权利要求2或3所述的TMDC激光器结构，其特征在于，所述第一DBR材料层和所述第二DBR材料层均采用半导体DBR和电介质DBR周期性交替堆叠而成。
5.根据权利要求2或3所述的TMDC激光器结构，其特征在于，所述第一DBR材料层和所述第二DBR材料层均采用InP/InGaAsP或AlGaAs/AlGaAs或TiO2/SiO2或Si/SiO2或InP/InGaAsP周期性交替堆叠而成。
6.根据权利要求1所述的TMDC激光器结构，其特征在于，所述有源层包括能带带隙为0.7-0.95ev的二维材料层。
7.根据权利要求1所述的TMDC激光器结构，其特征在于，所述二维材料层为能带带隙为0.8-0.9ev的Bi2O2Se。
8.根据权利要求1所述的TMDC激光器结构，其特征在于，所述衬底采用InP或GaAs材料制作而成。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的TMDC激光器结构的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1；准备衬底；
步骤2：在所述衬底上制备多种不同折射率的材料交替堆叠的DBR薄膜作为第一DBR材料层；
步骤3：在所述第一DBR材料层上生长有源层；
步骤4：在所述衬底上制备多种不同折射率的材料交替堆叠的DBR薄膜作为第二DBR材料层。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述步骤2，具体包括：
通过在衬底表面化学反应，使气相中的前体分子沉积在衬底表面，形成SiO2/TiO2薄膜；
所述前体分子分别为SiCl4和O2，TiCl4和O2；其中SiO2的沉积温度为150-300℃，TiO2的沉积温度为400-600℃，沉积SiO2时，压力在1-10torr之间，沉积TiO2时，压力在10-100torr之间，SiCl4和TiCl4的流量可以分别控制在10-100sccm之间，O2的流量控制在50-500sccm之间；
准备纯度高的SiO2和TiO2靶材，并设置真空系统，将衬底和靶材放置在真空系统中，实施溅射步骤，调整离子束溅射设备的参数对于离子束能量：
SiO2溅射：设置在200至1000电子伏特之间；
TiO2溅射：设置在200至1500电子伏特(eV)之间；
对于离子束流强度，SiO2溅射：设置在10至100毫安培之间；TiO2溅射：设置在10至150毫安培之间；
对于溅射时间，SiO2溅射时间：设置在10至60分钟之间，TiO2溅射时间：设置在10至120分钟之间；
使用SiO2靶材进行溅射，将SiO2薄膜沉积在衬底上，控制溅射时间达到所需的薄膜厚度，清洗后进行交替堆叠；
使用TiO2靶材进行溅射时，将TiO2薄膜沉积在SiO2薄膜上，控制溅射时间以达到所需的TiO2薄膜厚度；
交替堆叠SiO2和TiO2薄膜形成第一DBR材料层。
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