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(kāi)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(guò)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(shí)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(dá)到晶格匹配，制備工藝也更簡(jiǎn)單，僅僅通過(guò)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(jìn)行橫向連接形成異質(zhì)結(jié)。本文通過(guò)機(jī)械剝離的方法來(lái)得到不同堆垛結(jié)構(gòu)的少層黑磷烯。
【專利說(shuō)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(shí)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(shí)間里半導(dǎo)體激光器得到了飛速發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的努力，由于MBE和M0CVD技術(shù)的成就，人們對(duì)半導(dǎo)體薄膜材料實(shí)現(xiàn)精確控制生長(zhǎng)已成為可能，這使得半導(dǎo)體激光器的研制取得了顯著進(jìn)展，尤其是激光二極管，廣泛使用于光纖通信、光盤(pán)、激光打印機(jī)、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(zhǎng)等特點(diǎn)。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(wú)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(lái)，一種新的2D材料少層黑磷烯已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)條件下通過(guò)機(jī)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(lái)，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(lái)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(shì)，是目前新型二維材料研究的熱點(diǎn)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(guò)理論計(jì)算已經(jīng)證明，對(duì)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(jià)帶頂能級(jí)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(jí)的特點(diǎn)，本文提出一種用AS堆垛黑磷烯的不同堆垛結(jié)構(gòu)實(shí)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(jìn)行電能到光能的轉(zhuǎn)化。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問(wèn)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(shí)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(gè)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(gè)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(duì)第一層沿a方向移動(dòng)了半個(gè)周期，AS的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于第二層相對(duì)于第一層結(jié)構(gòu)移動(dòng)了小于半個(gè)周期的距離，約0.2-0.3個(gè)周期的距離。
[0011]AS堆垛黑磷烯通過(guò)探針剝離的方法將AB型結(jié)構(gòu)進(jìn)行錯(cuò)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(jià)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(jià)帶頂能量差)的符號(hào)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(jià)帶頂)則在ASS堆垛的VBM之下。這種異質(zhì)結(jié)能夠有效的實(shí)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(jī)物，用氮?dú)獯蹈桑湃胧⒐苤羞M(jìn)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(guò)在高溫高壓下對(duì)其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進(jìn)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(guò)機(jī)械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過(guò)Ar+等離子體剝離方法剝離得到少層黑磷??；
[0018]得到層狀的黑磷烯:首先獲取塊體，然后將塊體浸入過(guò)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(jī)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(tái)上烘干，去除黑磷稀薄膜與Si基板之間的水分，同時(shí)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(guò)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(duì)得到的黑磷烯進(jìn)行n型摻雜，摻雜方法采用主流的注入、擴(kuò)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行剝離，移動(dòng)層與層之間的相對(duì)距離，得到所要求的結(jié)構(gòu);二者通過(guò)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(jìn)行p型摻雜得到；
[0023]6)在上述條件下，通過(guò)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(shí)，由于兩者的能帶結(jié)構(gòu)不同，兩者導(dǎo)帶底CBM和價(jià)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(guò)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(jià)帶的空穴。當(dāng)濃度足夠高時(shí)，就會(huì)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(guò)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(dá)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(jiǎn)單。【附圖說(shuō)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(shí)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(jī)物，用氮?dú)獯蹈桑湃胧⒐苤羞M(jìn)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(guò)在高溫高壓下對(duì)其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進(jìn)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(guò)機(jī)械剝離方法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過(guò)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(guò)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(jī)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(tái)上烘干，去除黑磷稀薄膜與Si基板之間的水分，同時(shí)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(guò)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(duì)得到的黑磷烯進(jìn)行n型摻雜，摻雜方法采用主流的注入、擴(kuò)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行剝離，移動(dòng)層與層之間的相對(duì)距離，得到所要求的結(jié)構(gòu);二者通過(guò)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(jìn)行p型摻雜得到；
[0041]6)在上述條件下，通過(guò)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(guò)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(xiàng)】
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(shí)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(gè)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(gè)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(duì)第一層沿a方向移動(dòng)了半個(gè)周期， AS的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于第二層相對(duì)于第一層結(jié)構(gòu)移動(dòng)了小于半個(gè)周期的距離，約0.2-0.3個(gè)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(guò)探針剝 離的方法將AB型結(jié)構(gòu)進(jìn)行錯(cuò)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(jià) 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(jià)帶 頂能量差)的符號(hào)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(jià)帶頂)則在ASS堆垛的VBM之下。這種異質(zhì)結(jié)能夠有效的實(shí)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(jī)物，用氮?dú)獯蹈桑湃胧⒐苤羞M(jìn)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(guò)在高溫高壓下對(duì)其同質(zhì)異形體白磷或紅磷進(jìn)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(guò)機(jī)械剝離方 法從黑磷晶體剝離出多層黑磷烯;然后再通過(guò)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(guò)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(jī)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(tái)上烘干，去除黑磷烯薄膜與Si基板 之間的水分，同時(shí)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(guò)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(duì)得到的黑磷烯進(jìn)行n型摻雜，摻雜方法采用主流的注入、擴(kuò)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行剝離，移動(dòng)層與層之間的相對(duì)距離，得 到所要求的結(jié)構(gòu);二者通過(guò)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(jìn)行p型摻雜得到；6)在上述條件下，通過(guò)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(hào)】H01S5/323GK106025798SQ201610553344
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月13日
【發(fā)明人】雷雙瑛, 沈海云, 黃蘭
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)