[发明专利]二维等离子激光装置

说明书

一种二维等离子激光装置，包含表面等离子共振腔，以及半导体原子单层所构成的增益介质。该增益介质位于等离子共振腔上。经由光激发或电激发，该表面等离子共振腔提供激光回馈机制，其表面等离子耦合增益介质中的电子电洞对，使激光由二维等离子激光装置的表面射出。

技术领域

本发明是有关于一种半导体激光，特别是一种面射型激光元件与方法。

背景技术

因为过渡金属硫族化物(transition metal dichalcogenide，TMDC)由多层转为单层时会由间接能隙变成直接能隙的特性，使其成为发展半导体发光装置深具前途的材料[1]。最近，此类半导体发光装置一重要的发展是将高Q值(high Q，Q大约1000至5000)的光子共振腔模态，例如光子晶体[2,4]的缺陷模态(defect modes)以及微盘(microdisk)[3]的回音壁模态(whispering-galley modes)，耦合二维(two-dimensional)半导体单层而发出激光[2-4]。然而，在这些光子共振腔激光的设计中，单层过渡金属硫族化物的二维材料特性还没有被完全探究。特别是，单层过渡金属硫族化物开启了基于半导体面射型激光(semiconductor-based surface-emitting laser)的可能性。与现有习知的边射型半导体激光元件相反，面射型激光元件具有好的光取出效率并可用于制作低阈值(lasingthreshold)的二维激光阵列，可望应用在高速光通信、显示、发光、感应，以及影像等领域的装置上。现今，范德瓦尔(ven der Waals)单层(如过渡金属硫族化物、石墨烯(graphene)、氮化硼(hexagonal boron nitride，BN))为天然钝化(naturally passivated)，导致形成装置时有许多例外的变化，例如，经由堆叠形成异质结构以及与相异材料(如金属、氧化物等)轻易形成整合。

垂直共振腔边射型激光(vertical-cavity surface-emitting laser)是一种半导体激光二极管，其激光方向垂直于元件的顶表面。此类型的激光共振器是由两面布拉格反射镜(DBR)相夹一个由一到数个量子井所构成的晶元主动反应区，使激光带存在于其中。而平面的布拉格反射镜是由交替不同高低折射率的透镜所组成，其中每层透镜的厚度为四分之一的激光波长。迄今，由于布拉格反射镜材料的光、电、热性质不佳，许多波长范围无法做到激光，特别是可见光与长波长的红外线波长区段，使得此类型激光在应用上受到很大的限制。

为了实践半导体单层面射型激光，激子(exciton)的二维几何与横向(in-planeorientation)偶极矩需要一个设计完美的激光共振腔。基于金属的极子(Surface PlasmonPolaritons)共振腔，因其可集结传播极子沿着金属与介电物质的界面，使与紧紧局限于腔内的激子偶极矩近场耦合而特别受到注目。单层过渡金属硫族化物作为新兴二维光子材料[6]的初始即注意到此优点。最近的研究报告[7]提到其光致发光(PL)可增加几个量阶。然而，由于十分严格要求的共振腔设计与低损耗等离子材料，表面等离子共振激光迄今仍未被实践。