一種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器及其制備方法
【專利摘要】本文發(fā)明公開了一種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器及其制備方法，利用雙層Aδ堆垛黑磷烯和三層Aδδ堆垛黑磷烯通過橫向連接可構(gòu)成I型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，用于在激光二極管中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，能夠有效的減小工作電流。所述半導(dǎo)體激光二極管由下至上依次包括：下電極(1)、襯底(2)、下包覆層(3)、有源層(4)、上包覆層(5)和上電極(6)。本發(fā)明選用的同種材料異質(zhì)結(jié)更容易達到晶格匹配，制備工藝也更簡單，僅僅通過范德瓦耳斯力就能將雙層Aδ堆垛黑磷烯和三層Aδδ堆垛黑磷烯進行橫向連接形成異質(zhì)結(jié)。本文通過機械剝離的方法來得到不同堆垛結(jié)構(gòu)的少層黑磷烯。
【專利說明】
一種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用少層黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的方法，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體材料中的電子光躍迀引起光子受激發(fā)射而產(chǎn)生的光振蕩器和光放大器的總稱。1962年在最早的半導(dǎo)體激光器中觀察到了低溫脈沖激射，此后的時間里半導(dǎo)體激光器得到了飛速發(fā)展。經(jīng)過多年的努力，由于MBE和M0CVD技術(shù)的成就，人們對半導(dǎo)體薄膜材料實現(xiàn)精確控制生長已成為可能，這使得半導(dǎo)體激光器的研制取得了顯著進展，尤其是激光二極管，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器等等，是目前生產(chǎn)量最大的激光器。
[0003]半導(dǎo)體激光器中常用的工作物質(zhì)有砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等等，這類半導(dǎo)體激光器通常具有體積小、重量輕、可靠性好、使用壽命長等特點。但是早期的半導(dǎo)體激光器激光性能受溫度影響大，光束的發(fā)散角也大，所以在方向性、 單色性和相干性等方面較差。人們也正在努力尋找更合適、無污染的新型半導(dǎo)體材料用于激光器。
[0004]具有原子層厚度的2D材料由于其不同于體材料的優(yōu)越性質(zhì)而受到人們的廣泛研究，如石墨烯，M〇S2等等。近年來，一種新的2D材料少層黑磷烯已經(jīng)能在實驗條件下通過機械剝離的方法制備得到并且受到了人們的廣泛關(guān)注。體黑磷是一種具有金屬光澤的晶體， 可由白磷或紅磷轉(zhuǎn)化而來，體黑磷具有直接半導(dǎo)體帶隙，且表現(xiàn)出與層數(shù)相關(guān)的特性，少層黑磷烯的電子迀移率為l〇〇〇cm2/Vs，還具有非常高的漏電流調(diào)制率，使得其在未來的納米電子器件中的應(yīng)用有很大潛力。另外因其為直接帶隙，其光學(xué)性質(zhì)相比其他材料也有很大的優(yōu)勢，是目前新型二維材料研究的熱點之一。
[0005]二維黑磷烯的帶隙與黑磷層數(shù)相關(guān)，其能隙范圍在0.3-1.5eV之間，本文通過理論計算已經(jīng)證明，對于少層黑磷烯，在不同堆垛結(jié)構(gòu)下，存在兩種比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，AB型堆垛和AS型堆垛。單層黑磷烯具有1.5eV的直接帶隙，而三層黑磷烯AS堆垛具有1.leV的間接帶隙，二者導(dǎo)帶底和價帶頂能級排列可組成I型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。利用黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)具有不同帶隙和能級的特點，本文提出一種用AS堆垛黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的方法，所涉及的異質(zhì)結(jié)由同種材料構(gòu)成。相比不同材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)，該方法制備條件更方便，成本低廉，可以有效的進行電能到光能的轉(zhuǎn)化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的在于提供一種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器及其制備方法，使用二維材料黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)組成I型異質(zhì)結(jié)制備半導(dǎo)體激光器，降低制備成本，提高半導(dǎo)體激光器的效率。
[0007]2.技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，用AS堆垛黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器，該異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)自下而上包括:下電極、襯底、下包覆層、有源層、上包覆層和上電極;其中，有源層為量子阱區(qū)，激光器的兩端形成光非吸收窗口，其深度大于所述電極上包覆層以及有源區(qū)的厚度之和。[00〇8]所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器中，HD型異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的有源層為一個橫向異質(zhì)結(jié)，橫向異質(zhì)結(jié)由三層ASS堆垛和雙層AS堆垛的黑磷烯構(gòu)成;上包覆層和下包覆層分別為 P型黑磷烯和n型黑磷烯。
[0009]所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器中，上包覆層為p型黑磷烯半導(dǎo)體，下包覆層為n型黑磷烯半導(dǎo)體，都為AB堆垛結(jié)構(gòu)，上包覆層和下包覆層材料的厚度可以加工到10-20nm。
[0010]有源層為一個橫向異質(zhì)結(jié)，由三層ASS堆垛和雙層AS堆垛的黑磷烯構(gòu)成;AB堆垛為黑磷烯的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，AS堆垛為黑磷烯的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu);AB堆垛黑磷烯的第二層相當(dāng)于相對第一層沿a方向移動了半個周期，AS的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于第二層相對于第一層結(jié)構(gòu)移動了小于半個周期的距離，約0.2-0.3個周期的距離。
[0011]AS堆垛黑磷烯通過探針剝離的方法將AB型結(jié)構(gòu)進行錯位得到。
[0012]所采用的異質(zhì)結(jié)為I型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所謂I型異質(zhì)結(jié)通常定義為該異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為:窄帶材料的導(dǎo)帶底和價帶頂都位于寬帶材料的禁帶中，A Ec(窄帶與寬帶導(dǎo)帶底能量差)和A Ev(窄帶與寬帶價帶頂能量差)的符號相反；因此本結(jié)構(gòu)就定義為AS堆垛黑磷烯的CBM(導(dǎo)帶底)在ASS堆垛的CBM之上，而VBM(價帶頂)則在ASS堆垛的VBM之下。這種異質(zhì)結(jié)能夠有效的實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，提高半導(dǎo)體激光器的工作效率。
[0013]本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的制備方法包括以下步驟:
[0014]a.襯底的制備:采用n型硅作為襯底；[〇〇15] n-Si襯底清洗:以n-Si (111)片為襯底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去離子水超聲波清洗，去除硅片上的有機物，用氮氣吹干，放入石英管中進行沉積處理;石英管的真空度為l(T2-l(T3Pa，加熱到300°C左右維持10-15分鐘，以去除硅片表面的水汽；
[0016]b.少層黑磷烯的制備:體黑磷通過在高溫高壓下對其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進行處理得到:
[0017] 1)將白磷在1000-1200Pa大氣壓下加熱到200-250°C，得到片狀黑磷;通過機械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷稀；
[0018]得到層狀的黑磷烯:首先獲取塊體，然后將塊體浸入過氧化氫異丙苯CHP的溶劑中，再使用超聲波超聲10-15分鐘，最后，使用離心機使其分離得到層狀物；[0〇19]2)用Si基板撈出黑磷稀薄膜，放在50-60°C的加熱臺上烘干，去除黑磷稀薄膜與Si基板之間的水分，同時將少層黑磷烯更牢固的與Si基板結(jié)合；
[0020]3)步驟2)得到的少層黑磷烯結(jié)構(gòu)通常為多層的AB堆垛結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡下，通過探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷得到適當(dāng)層數(shù)的黑磷烯；
[0021]4)對得到的黑磷烯進行n型摻雜，摻雜方法采用主流的注入、擴散摻雜工藝，ASS堆垛和雙層AS堆垛在電子顯微鏡下，使用探針對其結(jié)構(gòu)進行剝離，移動層與層之間的相對距離，得到所要求的結(jié)構(gòu);二者通過相互之間的范德瓦耳斯力相結(jié)合形成橫向異質(zhì)結(jié)；
[0022]5)上包覆層p型黑磷烯半導(dǎo)體同樣按照步驟4)中的方法進行p型摻雜得到；
[0023]6)在上述條件下，通過表面蒸鍍金屬的方法，在上、下層分別蒸鍍一層薄鋁層，作為上、下背電極;其中，上電極占AB型雙層黑磷薄膜總面積的10%到15%。[〇〇24]圖2中，單層黑磷烯與A8型三層黑磷烯組成的異質(zhì)結(jié)為半導(dǎo)體激光器的核心部分， 在注入電流的情況下，能將電能轉(zhuǎn)化成光能。其原因在于:當(dāng)單層黑磷烯薄膜與AS型三層相接觸時，由于兩者的能帶結(jié)構(gòu)不同，兩者導(dǎo)帶底CBM和價帶頂VBM的排列組成了I型半導(dǎo)體， 在接觸界面形成耗盡層，在施加偏壓的情況下，大量的電子和空穴將注入并穿過耗盡區(qū)，使得耗盡區(qū)中存在大量載流子。結(jié)邊界的區(qū)間內(nèi)包含高濃度處于導(dǎo)帶的電子和處于價帶的空穴。當(dāng)濃度足夠高時，就會形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。而半導(dǎo)體激光器的核心原理就是粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。
[0025]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0026] 1.使用不同的堆垛結(jié)構(gòu)通過橫向連接形成I型異質(zhì)結(jié)作為激光器的主體，能降低注入電流，能有效的提高激光器轉(zhuǎn)化效率。
[0027]2.本發(fā)明中選取的二維材料黑磷，可以把半導(dǎo)體激光器做得很薄。
[0028]3.本發(fā)明異質(zhì)結(jié)采用的是同一種材料，異質(zhì)結(jié)組合更容易達到晶格匹配，制備異質(zhì)結(jié)薄膜的工藝方法相比不同材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)也更為便捷簡單。【附圖說明】[〇〇29]圖1為兩種不同堆垛的結(jié)構(gòu)示意圖，上下兩層分別用灰色和黑色表示:(a)AS堆垛雙層黑磷烯的頂視圖和側(cè)視圖；(b)AB堆垛黑磷烯的頂視圖和側(cè)視圖。
[0030]圖2為本發(fā)明提供的雙層黑磷不同堆垛結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖3為雙層AS堆垛黑磷烯和三層ASS堆垛黑磷烯的能帶排列?！揪唧w實施方式】[〇〇32] a.襯底的制備:采用n型硅作為襯底；[〇〇33] n-Si襯底清洗:以n-Si (111)片為襯底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙醇、乙醇、去離子水超聲波清洗，去除硅片上的有機物，用氮氣吹干，放入石英管中進行沉積處理;石英管的真空度為l〇_2Pa左右，加熱到300°C左右維持10-15分鐘，以去除硅片表面的水汽；
[0034] b.少層黑磷烯的制備:體黑磷通過在高溫高壓下對其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進行處理得到:[〇〇35] 1)將白磷在1200大氣壓下加熱到200°C，得到片狀黑磷;通過機械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷烯；
[0036]得到層狀的黑磷烯:首先獲取塊體，然后將塊體浸入過氧化氫異丙苯CHP的溶劑中，再使用超聲波超聲10-15分鐘，最后，使用離心機使其分離得到層狀物；[0〇37]2)用Si基板撈出黑磷稀薄膜，放在50-60°C的加熱臺上烘干，去除黑磷稀薄膜與Si基板之間的水分，同時將少層黑磷烯更牢固的與Si基板結(jié)合；[〇〇38]3)步驟2)得到的少層黑磷烯結(jié)構(gòu)通常為多層的AB堆垛結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡下，通過探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷得到適當(dāng)層數(shù)的黑磷烯；[〇〇39]4)對得到的黑磷烯進行n型摻雜，摻雜方法采用主流的注入、擴散摻雜工藝，ASS堆垛和雙層AS堆垛在電子顯微鏡下，使用探針對其結(jié)構(gòu)進行剝離，移動層與層之間的相對距離，得到所要求的結(jié)構(gòu);二者通過相互之間的范德瓦耳斯力相結(jié)合形成橫向異質(zhì)結(jié)；
[0040]5)上包覆層p型黑磷烯半導(dǎo)體同樣按照步驟4)中的方法進行p型摻雜得到；
[0041]6)在上述條件下，通過表面蒸鍍金屬的方法，在上、下層分別蒸鍍一層薄鋁層，作為上、下背電極;其中，上電極占AB型雙層黑磷薄膜總面積的10%到15%。
[0042](7)在上述條件下，通過表面蒸鍍金屬的方法，在上下層分別蒸鍍一層較薄的鋁層，作為上、下背電極。其中，上電極占AB型雙層黑磷烯薄膜總面積的10%到15%。
【主權(quán)項】
1.一種異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器其特征在于，用AS堆垛黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)實現(xiàn)半導(dǎo)體 激光器，該異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)自下而上包括:下電極(1)、襯底(2)、下包覆層(3)、 有源層(4)、上包覆層(5)和上電極(6);其中，有源層(4)為量子阱區(qū)，激光器的兩端形成光 非吸收窗口(7)，其深度大于所述電極上包覆層(5)以及有源區(qū)(4)的厚度之和。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光 器中，HD型異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的有源層為一個橫向異質(zhì)結(jié)，橫向異質(zhì)結(jié)由三層ASS堆垛和 雙層AS堆垛的黑磷烯構(gòu)成;上包覆層和下包覆層分別為p型黑磷烯和n型黑磷烯。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光 器中，上包覆層(5)為p型黑磷烯半導(dǎo)體，下包覆層(3)為n型黑磷烯半導(dǎo)體，都為AB堆垛結(jié) 構(gòu)，上包覆層和下包覆層材料的厚度可以加工到10-20nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，其特征在于，有源層(4)為一個橫向異 質(zhì)結(jié)，由三層ASS堆垛和雙層AS堆垛的黑磷烯構(gòu)成;AB堆垛為黑磷烯的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，AS堆垛為 黑磷烯的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu);AB堆垛黑磷烯的第二層相當(dāng)于相對第一層沿a方向移動了半個周期， AS的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于第二層相對于第一層結(jié)構(gòu)移動了小于半個周期的距離，約0.2-0.3個周期 的距離。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，其特征在于，AS堆垛黑磷烯通過探針剝 離的方法將AB型結(jié)構(gòu)進行錯位得到。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所采用的異質(zhì)結(jié)為I型異 質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所謂I型異質(zhì)結(jié)通常定義為該異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為:窄帶材料的導(dǎo)帶底和價 帶頂都位于寬帶材料的禁帶中，A Ec(窄帶與寬帶導(dǎo)帶底能量差)和A Ev(窄帶與寬帶價帶 頂能量差)的符號相反；因此本結(jié)構(gòu)就定義為AS堆垛黑磷烯的CBM(導(dǎo)帶底)在ASS堆垛的CBM 之上，而VBM(價帶頂)則在ASS堆垛的VBM之下。這種異質(zhì)結(jié)能夠有效的實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，提 高半導(dǎo)體激光器的工作效率。7.—種如權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的制備方法，其特征在于，該制備方法 包括以下步驟:a.襯底的制備:米用n型娃作為襯底；n-Si襯底清洗:以n-Si (111)片為襯底，用烯HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次 用丙醇、乙醇、去離子水超聲波清洗，去除硅片上的有機物，用氮氣吹干，放入石英管中進行 沉積處理;石英管的真空度為l(T2-l(T3Pa，加熱到300°C左右維持10-15分鐘，以去除硅片表 面的水汽；b.少層黑磷烯的制備:體黑磷通過在高溫高壓下對其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進行處理 得到:1)將白磷在1000-1200Pa大氣壓下加熱到200-250°C，得到片狀黑磷;通過機械剝離方 法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷烯；得到層狀的黑磷烯:首先獲取塊體，然后將塊體浸入過氧化氫異丙苯CHP的溶劑中，再 使用超聲波超聲10-15分鐘，最后，使用離心機使其分離得到層狀物；2)用Si基板撈出黑磷烯薄膜，放在50-60°C的加熱臺上烘干，去除黑磷烯薄膜與Si基板 之間的水分，同時將少層黑磷烯更牢固的與Si基板結(jié)合；3)步驟2)得到的少層黑磷烯結(jié)構(gòu)通常為多層的AB堆垛結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡下，通過探針剝離的方法，剝離掉多余的黑磷得到適當(dāng)層數(shù)的黑磷烯；4)對得到的黑磷烯進行n型摻雜，摻雜方法采用主流的注入、擴散摻雜工藝，ASS堆垛和 雙層AS堆垛在電子顯微鏡下，使用探針對其結(jié)構(gòu)進行剝離，移動層與層之間的相對距離，得 到所要求的結(jié)構(gòu);二者通過相互之間的范德瓦耳斯力相結(jié)合形成橫向異質(zhì)結(jié)；5)上包覆層p型黑磷烯半導(dǎo)體同樣按照步驟4)中的方法進行p型摻雜得到；6)在上述條件下，通過表面蒸鍍金屬的方法，在上、下層分別蒸鍍一層薄鋁層，作為上、 下背電極;其中，上電極占AB型雙層黑磷薄膜總面積的10%到15%。
【文檔編號】H01S5/323GK106025798SQ201610553344
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月13日
【發(fā)明人】雷雙瑛, 沈海云, 黃蘭
【申請人】東南大學(xué)