[發(fā)明專利]一種提高單層二維半導(dǎo)體發(fā)光亮度的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010056849.6
• 申請(qǐng)日: 2020-01-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111262133B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳漢春;呂燕會(huì)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S5/327
• 分類號(hào): H01S5/327;H01S5/04;H01S5/347
• 代理公司: 北京正陽(yáng)理工知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明涉及一種提高單層二維半導(dǎo)體發(fā)光亮度的方法，屬于量子光學(xué)和光子量子信息技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明集成單層二維半導(dǎo)體與表面具有凸起結(jié)構(gòu)的三維半導(dǎo)體形成復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了一個(gè)大大增強(qiáng)的耦合系統(tǒng)，大大提高了單層二維半導(dǎo)體的發(fā)光亮度。簡(jiǎn)單而高效的硅基復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)是完全可擴(kuò)展的，有望作為具有高亮度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、芯片可集成性的量子光源，屬于量子光學(xué)和光子量子信息技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種提高單層二維半導(dǎo)體發(fā)光亮度的方法，簡(jiǎn)單而高效的硅基復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望作為具有高亮度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、芯片可集成性的量子光源，屬于量子光學(xué)和光子量子信息技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

單量子發(fā)射器(SQE)是量子光學(xué)和光子量子信息技術(shù)的核心，SQE對(duì)于量子信息處理的許多應(yīng)用都是必不可少的。單層過(guò)渡金屬硫族化物(TMDC)具有大的激子結(jié)合能，并且在室溫下層內(nèi)激子具有長(zhǎng)壽命，這使其特別適合單量子發(fā)射器的應(yīng)用。這種非經(jīng)典光源的核心要求包括長(zhǎng)期穩(wěn)定性，高亮度，以及芯片上的可集成性。

然而，獲得高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率在單層二維材料中仍然具有挑戰(zhàn)。比如，將機(jī)械剝離的單層WSe₂集成到硅基光子結(jié)構(gòu)上，只實(shí)現(xiàn)了8倍的光致發(fā)光增強(qiáng)；通過(guò)彈性應(yīng)變工程增強(qiáng)單層二維材料的發(fā)光，也只有幾倍的增強(qiáng)。生長(zhǎng)的單分子層通常比其機(jī)械剝離的單分子層表現(xiàn)出更低的光致發(fā)光量子產(chǎn)率，將生長(zhǎng)的WSe₂單層材料耦合到圓形布拉格光柵結(jié)構(gòu)上，觀察到激子發(fā)射增強(qiáng)了7倍；最近報(bào)道的通過(guò)溶劑蒸發(fā)使生長(zhǎng)的WSe₂單分子膜機(jī)械松弛與基底解耦，與基板耦合生長(zhǎng)的單分子層相比實(shí)現(xiàn)的光致發(fā)光的發(fā)射增強(qiáng)也只有一個(gè)數(shù)量級(jí)。盡管提出了許多解決方案來(lái)增強(qiáng)單層二維半導(dǎo)體的量子發(fā)射，但是實(shí)現(xiàn)更高效的光子提取效率、高集成性和可擴(kuò)展性仍然需要開(kāi)辟新的方法。而采用本申請(qǐng)的一種簡(jiǎn)單而高效的復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生一個(gè)大大增強(qiáng)的耦合系統(tǒng)，使單層二維半導(dǎo)體的發(fā)光效率大大提高，例如我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中使化學(xué)氣相沉積(CVD)法生長(zhǎng)的WSe₂單層材料的發(fā)光提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

單層二維半導(dǎo)體和表面具有凸起結(jié)構(gòu)的三維硅基半導(dǎo)體形成的復(fù)合系統(tǒng)提高了發(fā)光強(qiáng)度，主要是利用三維硅基半導(dǎo)體的特殊結(jié)構(gòu)在特定的部位有較大的載流子濃度，與單層二維半導(dǎo)體在接觸部位發(fā)生耦合，產(chǎn)生層間激子躍遷，為單層二維半導(dǎo)體注入額外的激子，同時(shí)單層二維半導(dǎo)體受到局部應(yīng)變發(fā)生帶隙連續(xù)變化產(chǎn)生激子漏斗效應(yīng)，這兩種影響最終使單層二維半導(dǎo)體的發(fā)光大大提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在光子提取效率低，集成性和擴(kuò)展性受限的問(wèn)題，提供一種提高單層二維半導(dǎo)體發(fā)光亮度的方法。該方法提供了一種簡(jiǎn)單而高效的復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)，提高了單層二維半導(dǎo)體的發(fā)光亮度、實(shí)現(xiàn)了制造工藝的可擴(kuò)展性和芯片上的可集成性。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種提高單層二維半導(dǎo)體發(fā)光亮度的方法，將單層二維半導(dǎo)體集成于表面具有凸起結(jié)構(gòu)的三維硅基半導(dǎo)體：?jiǎn)螌佣S半導(dǎo)體與三維硅基半導(dǎo)體耦合產(chǎn)生激子漏斗效應(yīng)和激子注入效應(yīng)，從而達(dá)到提高單層二維半導(dǎo)體發(fā)光的目的。

具體物理原理為：表面具有凸起結(jié)構(gòu)的三維硅基半導(dǎo)體使單層二維半導(dǎo)體產(chǎn)生局部應(yīng)變，單層二維半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形成激子漏斗效應(yīng)；在單層二維半導(dǎo)體與表面具有凸起結(jié)構(gòu)的三維硅基半導(dǎo)體接觸部位存在層間激子躍遷，可為單層二維半導(dǎo)體注入額外的激子；激子注入效率依賴于柵極電壓，因此能夠用柵極電壓進(jìn)一步調(diào)節(jié)。利用單層二維半導(dǎo)體與表面具有凸起結(jié)構(gòu)的三維硅基半導(dǎo)體組成的復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成的激子漏斗效應(yīng)與層間激子躍遷共同產(chǎn)生影響，達(dá)到提高單層二維半導(dǎo)體發(fā)光亮度的目的。