一种片上白光泵浦光发射器及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种片上白光泵浦光发射器及制备方法和应用，利用真空电子束蒸镀工艺在SiO2/Si衬底表面沉积一定对数的周期交替生长的SiO2/TiO2介质膜材料，以形成分布式布拉格反射镜(DBR)，从而构造超薄平板微腔结构；采用机械剥离法或化学气相沉积法，将直接带隙二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料置于平板半微腔上方或嵌于平板全微腔中间。以白光、太阳光或非相干连续光源作为激发光源，促使单层二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料与腔模发生共振激发。本发明专利技术具有如下的有益效果：该器件与传统白光泵浦光发射器件相比结构简单，易于实现片上白光泵浦光发射器件的微型化和集成化应用，为光子集成领域的发展奠定了基础。础。础。

【技术实现步骤摘要】
一种片上白光泵浦光发射器及制备方法和应用


[0001]本专利技术属于半导体器件
，涉及一种片上白光泵浦光发射器及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]直接带隙的二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料因其优异的光学特性而备受关注，有望推动下一代片上光子
的发展，其中片上光源是集成光子电路最重要的组成部分之一。截止目前，基于二维半导体材料的光泵浦发射器已成为研究热点，如光泵浦的微型激光器、单光子发射器及光学参数放大器等基于二次谐波过程的发射器，这些发射器通常需采用额外的激光器驱动工作。然而，使用这些泵浦源会阻碍光子电路的集成化和微型化。非相干的太阳光作为环境友好的可再生能源，已应用于光电子和光子器件，如太阳能电池和太阳光泵浦光源。因此，基于新一代二维半导体材料的微型太阳光泵浦发射器将有望应用于片上光子信息
然而，这种光子器件的结构尚未引起研究学者的广泛关注，同时二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料在太阳能或白光光源激发下的光学特性尚未得到深入探究。
[0003]截止目前,研究者主要使用大型器件结构来开发和利用太阳能光源，如厘米尺寸的Nd:YAG激光棒、光纤激光器、菲涅尔透镜及反射镜等，这些极大地限制了其实际应用于光子电路，阻碍了光子电路的集成化和微型化的发展趋势。针对这一问题，直接带隙的二维半导体材料与超薄平板微腔为解决太阳能泵浦发射器的微型化问题提供了新机遇，为光子集成领域的发展奠定了基础。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种片上白光泵浦光发射器及制备方法和应用，针对太阳能泵浦发射器的微型化和集成化的问题。本专利技术提出了一种由二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料与超薄平板微腔所组成的器件结构，采用真空电子束蒸镀工艺于SiO2/Si衬底上交替生长一定对数(使平板微腔衬底的禁带反射率＞99％)的高折射率(TiO2)和低折射率(SiO2)的介质膜材料，从而形成DBR而构造出平板微腔结构；之后通过机械剥离或化学气相沉积的方法将单层二维半导体材料置于平板半微腔上方或嵌于平板全微腔中间；利用非相干的白光LED模拟太阳光作为激发光源，促进激子与光子发生耦合，使单层二维半导体材料与平板微腔产生共振激发。
[0006]技术方案
[0007]一种片上白光泵浦光发射器，其特征在于包括单层二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料3以及其顶部和底部的分布式布拉格反射镜DBR，构成上下两个平板微腔结构；所述分布式布拉格反射镜DBR为交替排布的一定对数的的高折射率TiO
2 2和低折射率SiO
2 1的介质膜材料，其中底部DBR设有SiO2/Si衬底4。
[0008]所述底部DBR的交替排布的TiO2和低折射率SiO2的介质膜材料对数大于等于顶部DBR。
[0009]所述介质膜的厚度均为其中：λ
c
为平板微腔腔模的中心波长、n1为每层介质膜的折射率。
[0010]所述平板微腔结构的腔长为其中：n＝1,2,3,
…
，n
c
为平板微腔材料的折射率。
[0011]所述平板微腔衬底的禁带反射率＞99％。
[0012]所述单层二维半导体采用过渡金属硫族化合物，其分子式为MX2，其中M为过渡金属元素：Mo或W，X为硫族元素：S，Se或Te。
[0013]所述层状金属卤化物钙钛矿材料(LA)2(A)
n
‑1Pb
n
X
3n+1
，为(BA)2PbI4或(HA)2(FA)Pb2I7。
[0014]一种所述片上白光泵浦光发射器的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0015]步骤1：采用真空电子束蒸镀工艺于SiO2/Si衬底上交替生长一定对数的高折射率TiO2和低折射率SiO2的介质膜，形成分布式布拉格反射镜DBR，从而构造超薄平板微腔结构；
[0016]步骤2：采用机械剥离或化学气相沉积方法，将单层二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料制备于平板半微腔上方或嵌于平板全微腔中间。
[0017]所述步骤1采用真空电子束蒸镀工艺于SiO2/Si衬底上交替生长一定对数的高折射率TiO2和低折射率SiO2的介质膜是：在真空度抽至10
‑4～10
‑6Torr条件下，先在硅片表面蒸镀一层SiO2，随后在SiO2表面蒸镀一层TiO2，重复蒸镀SiO2和TiO2，在SiO2/Si衬底上蒸镀SiO2/TiO2介质膜，蒸镀期间真空腔内的温度控制在20～80℃。
[0018]一种所述片上白光泵浦光发射器的使用方法，其特征在于利用非相干的白光LED作为激发光源，促进激子与光子发生耦合，使单层二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料与平板微腔产生共振激发。
[0019]有益效果
[0020]本专利技术提出的一种片上白光泵浦光发射器及制备方法和应用，基于单层二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料的片上白光泵浦光发射器件及制备方法。包括如下步骤：(1)利用真空电子束蒸镀工艺在SiO2/Si衬底表面沉积一定对数的周期交替生长的SiO2/TiO2介质膜材料，以形成分布式布拉格反射镜(DBR)，从而构造超薄平板微腔结构；(2)采用机械剥离法或化学气相沉积法，将直接带隙二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料置于平板半微腔上方或嵌于平板全微腔中间；(3)以白光、太阳光或非相干连续光源作为激发光源，促使单层二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料与腔模发生共振激发。本专利技术具有如下的有益效果：该器件与传统白光泵浦光发射器件相比结构简单，易于实现片上白光泵浦光发射器件的微型化和集成化应用，为光子集成领域的发展奠定了基础。
[0021]与传统白光泵浦光发射器的制备方法相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0022]1、本专利技术的白光泵浦发射器件采用能量更低的非相干的白光作为光发射器件的驱动光源，不同于传统需采用额外激光器的驱动光源，即相干光源驱动工作的微型激光器、单光子发射器及光学参数放大器等基于二次谐波过程的发射器。非相干光源与相干光源相
比而言，具有体积小、成本低及性能稳定等优势，开发基于单层二维半导体材料的片上非相干白光泵浦发射器非常有意义。
[0023]2、本专利技术的白光泵浦发射器件与传统白光泵浦光发射器件相比结构简单且制备方便，采用将单层二维半导体材料置于平板半微腔上方或嵌入平板微腔内的结构，不同于传统体积较大且制备复杂的Nd:YAG激光棒、光纤激光器、菲涅尔透镜及反射镜等器件结构，更利于光子电路的集成化和微型化。
附图说明
[0024]图1(a)为单层WS2材料置于半微腔上的白泵浦光发射器件的结构示意图，图1(b)为置于平板微腔上的单层WS2材料的光学照片，其中白色虚线部分为单层WS2材料。
[0025]图2 2(a)为空的平板半微腔在0
°
处的反射光谱图，图2(b)为单层WS2材料的光致发光谱。
[0026]图3为图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片上白光泵浦光发射器，其特征在于包括单层二维半导体或层状金属卤化物钙钛矿材料(3)以及其顶部和底部的分布式布拉格反射镜DBR，构成上下两个平板微腔结构；所述分布式布拉格反射镜DBR为交替排布的一定对数的的高折射率TiO2(2)和低折射率SiO2(1)的介质膜材料，其中底部DBR设有SiO2/Si衬底(4)。2.根据权利要求1所述片上白光泵浦光发射器，其特征在于：所述底部DBR的交替排布的TiO2和低折射率SiO2的介质膜材料对数大于等于顶部DBR。3.根据权利要求1所述片上白光泵浦光发射器，其特征在于：所述介质膜的厚度均为其中：λ
c
为平板微腔腔模的中心波长、n1为每层介质膜的折射率。4.根据权利要求1所述片上白光泵浦光发射器，其特征在于：所述平板微腔结构的腔长为其中：n＝1,2,3,
…
，n
c
为平板微腔材料的折射率。5.根据权利要求1所述片上白光泵浦光发射器，其特征在于：所述平板微腔衬底的禁带反射率＞99％。6.根据权利要求1所述片上白光泵浦光发射器，其特征在于：所述单层二维半导体采用过渡金属硫族化合物，其分子式为MX2，其中M为过渡金属元素：Mo或W，X为硫族元素：S，Se或Te。7.根据权利要求1所述片上白光泵浦光发射器，其特征在于：所述层状金属卤化物钙钛矿材料(LA)2...

【专利技术属性】
技术研发人员：于霆，张欣雨，胡韩伟，张学文，尚景智，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：