[发明专利]一种基于硅基氮化镓和二硫化钨单层膜的二维激子激光器及其制备方法

说明书

本申请公开了一种基于硅基氮化镓和二硫化钨单层膜的二维激子激光器及其制备方法，使用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术在硅衬底氮化镓晶圆上表面经过两次刻蚀形成三层阶梯状台阶；使用磁控溅射技术在三层阶梯状台阶中间台面和下台面同时蒸镀形成p型电极和n型电极；使用聚焦离子束刻蚀技术刻蚀u‑GaN层获得高Q值光子晶体纳米腔；再使用PDMS将增益介质WS₂单层膜转印到光子晶体纳米腔表面，WS₂单层膜上下表面旋涂CYTOP进行双面封装。在电流注入下，InGaN/GaN量子阱MQWs层自发辐射发出的蓝光经光子晶体纳米腔及WS₂单层膜增益后形成红色激光并沿着器件表面法线方向出射。

技术领域

本申请涉及信息材料与器件领域，尤其涉及一种基于硅基氮化镓和二硫化钨单层膜的二维激子激光器及其制备方法。

背景技术

直接带隙半导体二维过渡金属二元化合物TMDC的发现，开启了下一代光电器件的新纪元。二维TMDC的原子在平面内紧密结合，在平面外连接较弱，这种层与层之间的弱相互作用使得提取单层膜成为可能，从而支撑了这一新兴的研究领域。在原子厚度较薄的TMDC单层膜中，非相互作用极限处的光学跃迁谱表现为一个阶跃函数。强约束增强了电子与空穴之间的相互作用，产生了较大的束缚能和尖锐的激发能级，与非相互作用极限的束缚能相比，这种束缚能够进一步增加光学增益，并使得增益谱变窄。这些特性能够提升激光器的核心性能，使得激光器具有更低的阈值、更小的能耗、更高的调制带宽和更窄的发射线宽。

内部发光量子效率是衡量激光器的关键元素之一，由发光物质发射的光子数与吸收的光子数的比值决定。较高的量子效率对于获得较大的光增益以及较低的泵浦功率至关重要。不同TMDC单层膜的量子效率也有所不同。相比WSe₂和MoS₂单层膜，WS₂单层膜具有更高的量子效率，分别比WSe₂和MoS₂单层膜的量子效率高5个和2个数量级，这使得使WS₂成为获得大光学增益的最佳TMDC选择。

与传统的III-V族量子阱激光器相比，二维TMDC的大折射率，在可见波长范围内为～6至7，可显著增加激光有源区的光学限制，从而有效提高光增益。二维TMDC中辐射和非辐射载流子的寿命极为短暂，有助于实现具备超高调制带宽的二维激子激光器。此外，二维TMDC作为目前体积最小的光学增益材料，对于研发下一代高性能、小尺寸的节能激光器至关重要。

硅衬底氮化镓晶圆和传统的蓝宝石衬底及碳化硅晶圆相比，也具有独特的优势。蓝宝石衬底硬度高、导电性和导热性相对较差，不利于器件的加工及后期应用。碳化硅衬底也存在硬度高及成本昂贵等问题。硅衬底价格低廉、导热性和导电性优良，且有着成熟的器件加工工艺。通过引入AlN/AlGaN等缓冲层来弥补晶格失配以及热膨胀不一致引起的残余应力，高质量的硅衬底氮化镓晶圆已经在市场上扮演越来越重要的角色。

申请内容

解决的技术问题：

本申请需要解决的技术问题是解决传统的III-V族量子阱激光器激射阈值高、能耗大等技术问题，提出一种基于硅基氮化镓和二硫化钨单层膜的二维激子激光器及其制备方法，有利于进一步缩小器件体积，提供更高的调制速率。

技术方案：

一种基于硅基氮化镓和二硫化钨单层膜的二维激子激光器，所述基于硅基氮化镓和二硫化钨单层膜的二维激子激光器以硅衬底氮化镓晶圆作为载体，包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的缓冲层、设置在所述缓冲层上的n-GaN层、设置在所述n-GaN层上的AlGaN包覆层、设置在所述AlGaN包覆层上的InGaN波导层、设置在所述InGaN波导层上的InGaN多量子阱层、设置在所述InGaN多量子阱层上的p-GaN层、设置在所述p-GaN层上的AlGaN折射层、设置在所述AlGaN层上的u-GaN层、设置在所述u-GaN层上使用CYTOP双面封装的WS₂单层膜、以及n型电极和p型电极。