[发明专利]基于多层二维材料异质结的量子级联激光器

说明书

基于多层二维材料异质结的量子级联激光器，属于激光器技术领域。包括多层二维材料异质结的超晶格、由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔、硅衬底、沉积在衬底两侧的金电极和泵浦源；超晶格由为激光工作物质，电子在其中的子能级中跃迁并发出一定波长的激光；由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔使在超晶格中产生的光子在腔体中往复折射振荡产生高增益，并保证将所输出激光为高单色性和高方向性；衬底为高掺杂的n型硅；电极用以连接外接直流电源及工作物质；所述泵浦源为直流电源，对作为超晶格的工作物质时行激励，以实现粒子数反转。本发明量子级联激光器具有不考虑晶格失配降和材料选择丰富的优势。

技术领域

本发明属于激光器技术领域，特别涉及基于多层二维材料异质结的量子级联激光器。

背景技术

量子级联激光器(QCL)1994年由贝尔实验室的Federico Capasso和Al Cho发明，基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。由于量子级联激光器极好的波长可调谐性和很高的输出功率，引起了中远红外波段激光技术的革命，在大气检测、化学传感、分子光谱、太赫兹的自由空间通信、激光雷达等领域都有重要应用。

量子级联激光器的由半导体异质结构构成，基于能带结构工程学设计并由分子束外延技术生长为核心。量子级联激光器的有源工作层由有源区和注入区组成一个周期，有源区是耦合三量子阱结构，注入区为递变超晶格。电子在量子阱中由于量子限制效应引起分立的子能级。外场作用下，有源区三个量子阱组成最低三个子能级E1，E2，E3。E3和E2能级为电子受激跃迁的上激发态能级和下激发态能级，通过设计各阱的宽度和间隔，使E3和E2能级的能量差对应于所需激光器的激射波长。在有源区E3能级上的电子受激跃迁到E2能级并发射光子，在声子辅助下隧穿经过注入区的微带注入到下一个周期有源区的上激发态。重复上一周期的输运物理过程，一级一级传递下通过级联过程实现高功率的激光发射。

目前，量子级联激光器的核心结构是由纳米厚度的异质结周期性成长后形成的超晶格，这种超晶格由分子束外延的方法生长，这种生长方法需要在超高的真空条件。由于量子级联激光器的材料结构需要生长上千层，大大提升了制备的难度。并且生长异质结时需要考虑晶格失配的问题，使得制备时的材料必须选择晶格常数接近的材料。因此制备量子级联激光器在工艺上非常困难并且可选用的材料也非常有限。

发明内容

针对现有上述制备量子级联激光器的困难与不足，本发明提供了一种由多层的二维材料构成的异质结量子级联激光器，用以降低量子级联激光器中的制备工艺难度。该激光器包括由多层二维材料构成的超晶格、由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔、硅衬底、沉积在硅衬底两端的金属电极、泵浦源；硅衬底上是光学谐振腔的氮化硅，氮化硅上为超晶格，超晶格上为氢硅倍半环氧乙烷，超晶格位于氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷之间；两金属电极与泵浦源连接；超晶格为产生激光的工作物质，其中的量子阱产生子能级能够使电子跃迁并发出一定波长的光子；由氮化硅和氢硅倍半环氧乙烷构成的光学谐振腔使超晶格中发出的光子在腔体中反复振荡产生高增益的激光，并保证将所输出激光为高单色性和高方向性；所述硅衬底对激光器起到力学支撑及传导电子的作用；所述电极用以连接外接直流电源并向工作物质注入电子；所述泵浦源为直流电源，对作超晶格产生激励，以实现粒子数反转。

本发明的超晶格是由层与层之间依靠范德瓦尔斯力结合的二维材料构成，这类二维材料为层状结构，表面没有悬挂键，是由二硒化钼、二硒化钨、二碲化钼、二碲化钨、二硫化铼，二硒化铼、硒化镓、碲化镓、硒化铟、石墨烯、黑磷等二维材料中的两种层层交替层叠排列的，优选为二硫化钼和二硫化钨的交替排列。由于二维材料层与层之间通过范德瓦尔斯力结合成一起而不是像传统的异质结那样通过共价键结合成一起，所以采用本发明所述的二维材料可以有效地降低因为晶格失配而带来的制备困难，并且其兼容传统半导体工艺的特点也会为制备便利。