本发明涉及一种用少层sns的不同堆垛结构实现半导体激光器的方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术：
半导体激光器是利用半导体材料中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称。1962年在最早的半导体激光器中观察到了低温脉冲激射，此后的时间里半导体激光器得到了飞速发展。经过多年的努力，由于mbe和mocvd技术的成就，人们对半导体薄膜材料实现精确控制生长己成为可能，这使得半导体激光器的研制取得了显著进展，尤其是激光二极管，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器等等，是目前生产量最大的激光器。
半导体激光器中常用的工作物质有砷化镓(gaas)、硫化镉(cds)、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等等，这类半导体激光器通常具有体积小、重量轻、可靠性好、使用寿命长等特点。但是早期的半导体激光器激光性能受温度影响大，光束的发散角也大，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差。人们也正在努力寻找更合适、无污染的新型半导体材料用于激光器。
近几年来，2d材料因其优越的性质得到了人们的广泛关注。例如黑磷烯，其是直接带隙半导体，且其带隙随着层数的变化而变化，少层黑磷烯的电子迁移率能达到1000cm2/vs，其相比于其他材料有更加优越的光学性质。近期，2d类黑磷烯材料引起了人们的广泛关注，且这类材料在某些方面有着比黑磷烯更加优越的性质。
本文重点关注了类黑磷烯材料，本文通过理论的计算，对于少层ges，在不同堆垛结构下，有两种稳定的结构，即双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛。利用ges的不同堆垛结构具有不同带隙和能级的特点，可以将不同类型的ges堆垛组合成ⅰ型半导体异质结。本文通过将双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛通过范德华力相结合，形成ⅰ型半导体异质结来制造半导体激光器。这里涉及到的异质结是由同种材料构成的。相比于不同材料的异质结，这种方法制备条件要求相对较低，成本较低，且能达到22.44％的转化效率，能实现高效的光电能转换。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的在于提供一种异质结半导体激光器及其制备方法，使用二维材料ges的不同堆垛结构组成ⅰ型异质结制备半导体激光器，降低制备成本，提高半导体激光器的效率。
技术方案：一种异质结激光器，用双层堆垛类黑磷烯的不同堆垛结构实现hd型异质结半导体激光器，该异质结半导体激光器的结构自下而上包括：下电极、衬底、下包覆层、有源层、上包覆层和上电极；有源层为一个横向异质结，横向异质结由双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛构成。
所述的异质结半导体激光器中，上包覆层为p型双层ad型ges堆垛，下包覆层为n型双层ad型ges堆垛，都为ad堆垛结构，上包覆层和下包覆层的厚度为10-20nm。
双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛都为稳定的堆垛结构；双层ad型ges堆垛的第二层相当于相对第一层沿b方向移动了半个周期，双层旋转ab型ges堆垛的结构的第二层相对于第一层进行了180°的旋转，然后沿着a方向移动了半个周期。
双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛通过探针剥离的方法将初始结构进行错位得到。
所采用的异质结为ⅰ型异质结结构，所谓ⅰ型异质结通常定义为该异质结的能带结构表现为：窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，δec和δev的符号相反；因此本结构就定义为双层ad型ges堆垛的cbm(导带底)在双层旋转ab型ges堆垛的cbm之上，而vbm(价带顶)则在双层旋转ab型ges堆垛的vbm之下；δec为窄带与宽带导带底能量差，δev为窄带与宽带价带顶能量差。
所述的异质结激光器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
a.衬底的制备：hf浸泡刻蚀，真空沉积得到si衬底；
b.ges薄膜制备：液相反应制备.ges薄膜，将得到的ges薄膜附着在步骤a得到的衬底上；
c.特殊ges堆垛的制备：
1)将上述得到的ges膜，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离得到合适的层数的ges；
2)将1)中得到的ges进行通过扩散、注入参杂工艺进行n型参杂，然后在电子显微镜下，使用探针进行剥离，移动层与层间的相对距离或进行层间的旋转变换，得到所要求的双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛，最后再将二者通过层间的范德瓦尔斯力相互结合形成横向异质结；
3)使用2)中的参杂方法对结构进行p型参杂得到p型ges上包覆层；
4)最后通过表面蒸镀金属的方法，在上、下层分别蒸镀一层金属层，作为上、下电极。
步骤a.衬底的制备具体为：采用n-si(111)片为衬底，用hf浸泡si片去除表面的二氧化硅，然后使用丙醇、乙醇、去离子水对si片进行多次清洗出去硅片表面异物，用氮气将si片吹干，放入真空石英管中进行沉积处理；将石英管加热到300℃，维持10-15min，去除硅片表面的水汽。
ges薄膜制备的具体方法为：将计量比的锗氯化二噁烷络合物、硫脲、油酰胺ola分别在空气中轻微的磁力搅拌；将搅拌后的液体混合物超声处理，除去油胺中的空气；随后连接到schlenk线，抽真空，除去水分和氧气；在磁力搅拌下通氮气进行惰性气体保护；将处理过后的液体混合物加热，随着温度的升高，液体逐渐变成了黄色透明溶液，反应混合物在氮气流中回流反应，反应结束将溶液冷却至室温，沉淀离心分离，洗涤，将得到的薄膜附着在si衬底上，真空干燥备用。
有益效果：
1.使用不同的堆垛结构通过横向连接使得ⅰ型异质结作为激光器的主体所谓ⅰ型异质结通常定义为该异质结的能带结构表现为：窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，δec(窄带与宽带导带底能量差)和δev(窄带与宽带价带顶能量差)的符号相反；因此本结构就定义为双层ad型ges堆垛的cbm(导带底)在双层旋转ab型ges堆垛的cbm之上，而vbm(价带顶)则在双层旋转ab型ges堆垛的vbm之下。这种异质结能够有效的实现粒子数反转，能降低注入电流，提高半导体激光器的工作效率。
2.本发明中选取的是二维材料，这类材料的厚度能达到原子级别，所以可以将半导体激光器制作的极薄。
3.本发明采用的是同种材料的不同堆垛结构，相比于不同材料异质结结构更容易达到晶格匹配，且异质结薄膜工艺也相对简单。
附图说明
图1为本发明提供的双层ges不同堆垛结构异质结半导体激光器的结构示意图。
图2为双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛的能带分布。
具体实施方式
1.本发明所述的一种异质结半导体激光器，用类黑磷烯的不同堆垛结构实现半导体激光器，该异质结半导体激光器的结构自下而上包括：下电极、衬底、下包覆层、有源层、上包覆层和上电极；其中，有源层为量子阱区。
所述的异质结半导体激光器中，hd型异质结半导体激光器的有源层为一个横向异质结，横向异质结由双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛构成；上包覆层和下包覆层分别为p型双层ad型ges堆垛和n型双层ad型ges堆垛。
所述的异质结半导体激光器中，上包覆层为p型双层ad型ges堆垛半导体，下包覆层为n型双层ad型ges堆垛，上包覆层和下包覆层材料的厚度可以加工到10-20nm。
有源层为一个横向异质结，由双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛构成；ad型ges堆垛和旋转ab型ges堆垛都是ges众多堆垛中的稳定结构；ad堆垛ges的第二层相当于相对第一层沿b方向移动了半个周期，旋转ab型ges堆垛第二层相对于第一层结构旋转180°之后沿着a方向移动了0.5个周期。
所采用的异质结为ⅰ型异质结结构，所谓ⅰ型异质结通常定义为该异质结的能带结构表现为：窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，δec(窄带与宽带导带底能量差)和δev(窄带与宽带价带顶能量差)的符号相反；因此本结构就定义为双层ad型ges堆垛的cbm(导带底)在双层旋转ab型ges堆垛的cbm之上，而vbm(价带顶)则在双层旋转ab型ges堆垛的vbm之下。这种异质结能够有效的实现粒子数反转，提高半导体激光器的工作效率。
本发明的异质结半导体激光器的制备方法包括以下步骤：
a.衬底的制备
本专利中采用n-si(111)片为衬底，用hf浸泡si片去除表面的二氧化硅，然后使用丙醇、乙醇、去离子水对si片进行多次清洗出去硅片表面异物，用氮气将si片吹干，放入真空石英管中进行沉积处理；将石英管加热到300℃，维持10-15min，去除硅片表面的水汽；
b.ges薄膜制备
将0.2g锗氯化二噁烷络合物、0.4g硫脲、20ml油酰胺ola分别加入到25ml的三颈瓶中，在空气中轻微的磁力搅拌；将搅拌后的液体混合物超声处理5min，除去油胺中的空气；随后将三颈瓶连接到schlenk线，抽真空30min，除去水分和氧气；在磁力搅拌下通氮气30min进行惰性气体保护；将处理过后的液体混合物加热至593k，随着温度的升高，液体逐渐变成了黄色透明溶液。反应混合物在氮气流中593k温度下回流4h；反应结束将溶液冷却至室温，沉淀离心分离，用去离子水和无水乙醇洗涤多次，将得到的薄膜附着在si衬底上，在40℃真空干燥4h备用；
c.特殊ges堆垛的制备
1)将上述得到的ges膜，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离得到合适的层数的ges；
2)将1)中得到的ges进行通过扩散、注入参杂工艺进行n型参杂，然后在电子显微镜下，使用探针对其结构进行剥离，移动层与层间的相对距离或进行层间的旋转变换，得到我们所要求的双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛。最后再将二者通过层间的范德瓦尔斯力相互结合形成横向异质结；
3)使用2)中的参杂方法对结构进行p型参杂得到p型ges上包覆层；
4)最后通过表面蒸镀金属的方法，在上、下层分别蒸镀一层薄铝层，作为上、下背电极。
图1中，双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛组成的异质结为半导体激光器的核心部分，在注入电流的情况下，能将电能转化成光能。其原因在于：当双层ad型ges与双层旋转ab型ges相接触时，由于两者的能带结构不同，两者导带底cbm和价带顶vbm的排列组成了ⅰ型半导体，在接触界面形成耗尽层，在施加偏压的情况下，大量的电子和空穴将注入并穿过耗尽区，使得耗尽区中存在大量载流子。结边界的区间内包含高浓度处于导带的电子和处于价带的空穴。当浓度足够高时，就会形成粒子数反转。而半导体激光器的核心原理就是粒子数的反转。
实施例
a.衬底的制备
本专利中采用n-si(111)片为衬底，用hf浸泡si片去除表面的二氧化硅，然后使用丙醇、乙醇、去离子水对si片进行多次清洗出去硅片表面异物，用氮气将si片吹干，放入真空石英管中进行沉积处理；将石英管加热到300℃，维持10-15min，去除硅片表面的水汽；
b.ges薄膜制备
将0.2g锗氯化二噁烷络合物、0.4g硫脲、20ml油酰胺ola分别加入到25ml的三颈瓶中，在空气中轻微的磁力搅拌；将搅拌后的液体混合物超声处理5min，除去油胺中的空气；随后将三颈瓶连接到schlenk线，抽真空30min，除去水分和氧气；在磁力搅拌下通氮气30min进行惰性气体保护；将处理过后的液体混合物加热至593k，随着温度的升高，液体逐渐变成了黄色透明溶液。反应混合物在氮气流中593k温度下回流4h；反应结束将溶液冷却至室温，沉淀离心分离，用去离子水和无水乙醇洗涤多次，将得到的薄膜附着在si衬底上，在40℃真空干燥4h备用；
c.特殊ges堆垛的制备
1)将上述得到的ges膜，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离得到合适的层数的ges；
2)将1)中得到的ges进行通过扩散、注入参杂工艺进行n型参杂，然后在电子显微镜下，使用探针对其结构进行剥离，移动层与层间的相对距离或进行层间的旋转变换，得到我们所要求的双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛。最后再将二者通过层间的范德瓦尔斯力相互结合形成横向异质结；
3)使用2)中的参杂方法对结构进行p型参杂得到p型ges上包覆层；
4)最后通过表面蒸镀金属的方法，在上、下层分别蒸镀一层薄铝层，作为上、下背电极。
1.一种异质结激光器，其特征在于，用双层堆垛类黑磷烯的不同堆垛结构实现hd型异质结半导体激光器，该异质结半导体激光器的结构自下而上包括：下电极(1)、衬底(2)、下包覆层(3)、有源层(4)、上包覆层(5)和上电极(6)；有源层为一个横向异质结，横向异质结由双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛构成。
2.根据权利要求1所述的异质结激光器，其特征在于，所述的异质结激光器中，上包覆层(5)为p型双层ad型ges堆垛，下包覆层(3)为n型双层ad型ges堆垛，都为ad堆垛结构，上包覆层和下包覆层的厚度为10-20nm。
3.根据权利要求1所述的异质结激光器，其特征在于，双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛都为稳定的堆垛结构；双层ad型ges堆垛的第二层相当于相对第一层沿b方向移动了半个周期，双层旋转ab型ges堆垛的结构的第二层相对于第一层进行了180°的旋转，然后沿着a方向移动了半个周期。
4.根据权利要求1所述的异质结激光器，其特征在于，双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛通过探针剥离的方法将初始结构进行错位得到。
5.根据权利要求1所述的异质结激光器，其特征在于，所采用的异质结为ⅰ型异质结结构，所谓ⅰ型异质结通常定义为该异质结的能带结构表现为：窄带材料的导带底和价带顶都位于宽带材料的禁带中，δec和δev的符号相反；因此本结构就定义为双层ad型ges堆垛的cbm(导带底)在双层旋转ab型ges堆垛的cbm之上，而vbm(价带顶)则在双层旋转ab型ges堆垛的vbm之下；δec为窄带与宽带导带底能量差，δev为窄带与宽带价带顶能量差。
6.一种权利要求1～5任一所述的异质结激光器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
a.衬底的制备：hf浸泡刻蚀，真空沉积得到si衬底；
b.ges薄膜制备：液相反应制备.ges薄膜，将得到的ges薄膜附着在步骤a得到的衬底上；
c.特殊ges堆垛的制备：
1)将上述得到的ges膜，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离得到合适的层数的ges；
2)将1)中得到的ges进行通过扩散、注入参杂工艺进行n型参杂，然后在电子显微镜下，使用探针进行剥离，移动层与层间的相对距离或进行层间的旋转变换，得到所要求的双层ad型ges堆垛和双层旋转ab型ges堆垛，最后再将二者通过层间的范德瓦尔斯力相互结合形成横向异质结；
3)使用2)中的参杂方法对结构进行p型参杂得到p型ges上包覆层；
4)最后通过表面蒸镀金属的方法，在上、下层分别蒸镀一层金属层，作为上、下电极。
7.如权利要求5所述的异质结激光器的制备方法，其特征在于，步骤a.衬底的制备具体为：采用n-si(111)片为衬底，用hf浸泡si片去除表面的二氧化硅，然后使用丙醇、乙醇、去离子水对si片进行多次清洗出去硅片表面异物，用氮气将si片吹干，放入真空石英管中进行沉积处理；将石英管加热到300℃，维持10-15min，去除硅片表面的水汽。
8.如权利要求5所述的异质结激光器的制备方法，其特征在于，ges薄膜制备的具体方法为：将计量比的锗氯化二噁烷络合物、硫脲、油酰胺ola分别在空气中轻微的磁力搅拌；将搅拌后的液体混合物超声处理，除去油胺中的空气；随后连接到schlenk线，抽真空，除去水分和氧气；在磁力搅拌下通氮气进行惰性气体保护；将处理过后的液体混合物加热，随着温度的升高，液体逐渐变成了黄色透明溶液，反应混合物在氮气流中回流反应，反应结束将溶液冷却至室温，沉淀离心分离，洗涤，将得到的薄膜附着在si衬底上，真空干燥备用。
技术总结