一种TMDC激光器结构及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术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。射镜的作用对激光光谱起选择性作用。射镜的作用对激光光谱起选择性作用。

【技术实现步骤摘要】
一种TMDC激光器结构及其制作方法


[0001]本专利技术涉及新型半导体激光器
，具体涉及一种TMDC激光器结构及其制作方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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年中国科学院专利技术公开了一种基于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。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种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。
[0006]为此，本专利技术所采取的技术方案是：
[0007]根据本专利技术的第一技术方案，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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]进一步地，所述二维材料层为能带带隙为0.8
‑
0.9ev的Bi2O2Se。
[0014]进一步地，所述衬底采用InP或GaAs材料制作而成。
[0015]根据本专利技术的第二技术方案，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：
[0016]步骤1；准备衬底；
[0017]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；
[0018]步骤3：在所述第一DBR材料层上生长有源层；
[0019]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。
[0020]进一步地，所述步骤2，具体包括：
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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：
[0024]SiO2溅射：设置在200至1000电子伏特之间；
[0025]TiO2溅射：设置在200至1500电子伏特(eV)之间；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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；
[0030]交替堆叠SiO2和TiO2薄膜形成第一DBR材料层。
[0031]本专利技术的有益效果是：
[0032]本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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DB...

【专利技术属性】
技术研发人员：李惠，王云轩，
申请(专利权)人：深圳技术大学，
类型：发明
国别省市：