[发明专利]光子集成器件及其制作方法

说明书

本发明提供了一种光子集成器件，包括衬底；衬底上设置有二维材料单元以及位于二维材料单元两侧的半导体发光单元；二维材料单元中设置有发光波段长于半导体发光单元的发光波段的发光二维材料，半导体发光单元向二维材料单元提供泵浦光源，以泵浦发光二维材料发光。本发明的光子集成器件通过改变发光二维材料的层数或种类即获得不同发光波段；同时，根据本发明的光子集成器件采用光泵浦发光的方式，无需形成p‑n结，与现有技术中以发光二维材料为基础制作p‑n结的电泵浦发光方式相比，简化了工艺难度。本发明还提供了上述光子集成器件的制作方法。该制作方法易于实现工艺标准化，与现有半导体器件制作工艺兼容，降低了制作成本，有利于批量生产。

技术领域

本发明属于半导体光电集成技术领域，具体地讲，涉及一种光子集成器件及其制作方法。

背景技术

具有原子级厚度的二维材料，如石墨烯、氮化硼、二维过渡金属硫化物、黑磷等，所表现出来的优异的物理和化学性质受到人们广泛关注。其中石墨烯拥有众多优异性质，如高电子迁移率、高热导率、常温霍尔效应等。但是，石墨烯的零带隙使它具有较小的开关电流比，这限制了它在实际器件中的应用。而以MoS₂为代表的二维过渡金属硫化物的单层结构的载流子迁移率虽低于石墨烯，但它拥有1.8eV左右的直接带隙和相对高的开关电流比，由此启发了人们开始探索应用于特定目的的新型二维材料。

目前，有研究表明基于黑磷的晶体管具备较高的开关电流比和优异的载流子迁移率；同时，层数变化对黑磷和过渡金属硫化物电子结构也有着重要影响，从单层到薄层体材料，黑磷的带隙值可从2.0eV变化至0.3eV，过渡金属硫化物中的MoS₂的带隙值可从1.8eV变化至1.29eV。因此，探寻能在光电性质上兼具石墨烯和二维过渡金属硫化物各自优点、且兼具合适电子能带结构与优异的载流子迁移率的二维半导体材料体系引起了科研界和工业界的广泛关注。根据二维材料独特的光电特性和优势，研究者尝试利用二维材料(如黑磷、过渡金属硫化物等)制作p-n结量子发光体系。例如，美国华盛顿大学Ross等人和瑞士洛桑联邦理工学院Lopez-Sanchez等以单层WSe₂和MoS₂二维材料为基础制作了p-n结发光二极管，得到了600nm～800nm波段的电致发光谱。但是在实际工艺制备过程中，二维材料与其它材料结合的界面纯洁度很难保证，并且接触电阻较大，这直接导致了相应的发光器件的制作难度加大、且具有极低的器件发光效率。上述难题即构成了目前制约二维材料发光器件发展的主要因素。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种光子集成器件及其制作方法，该光子集成器件以位于两侧的半导体发光单元泵浦位于其间的发光二维材料，不仅可以避免发光二维材料在现有的p-n结器件中的制作难度以及发光效率低下的问题，还能获得具有不同波段的光子集成器件。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种光子集成器件，包括衬底；所述衬底上设置有二维材料单元以及位于所述二维材料单元两侧的半导体发光单元；所述二维材料单元中设置有发光波段长于所述半导体发光单元的发光波段的发光二维材料，所述半导体发光单元向所述二维材料单元提供泵浦光源，以泵浦所述发光二维材料发光。

进一步地，所述二维材料单元两侧均设置有多个间隔排列的所述半导体发光单元。

进一步地，所述二维材料单元两侧的多个半导体发光单元的出光口交错相对。

进一步地，所述半导体发光单元为半导体激光器或超辐射发光管。

进一步地，所述二维材料单元的两侧均设置有2个～50个所述半导体发光单元；每相邻的两个所述半导体发光单元之间的间距为20μm～500μm；所述半导体发光单元的长度为0.5mm～5mm，宽度为5μm～200μm。

进一步地，所述发光二维材料选自黑磷、过渡金属化合物、石墨烯、氮化硼中的至少一种。