一种提高单层二维半导体发光亮度的方法与流程

本发明涉及一种提高单层二维半导体发光亮度的方法，简单而高效的硅基复合异质结构有望作为具有高亮度、长期稳定性、芯片可集成性的量子光源，属于量子光学和光子量子信息技术领域。

背景技术：

单量子发射器(sqe)是量子光学和光子量子信息技术的核心，sqe对于量子信息处理的许多应用都是必不可少的。单层过渡金属硫族化物(tmdc)具有大的激子结合能，并且在室温下层内激子具有长寿命，这使其特别适合单量子发射器的应用。这种非经典光源的核心要求包括长期稳定性，高亮度，以及芯片上的可集成性。

然而，获得高的光致发光量子产率在单层二维材料中仍然具有挑战。比如，将机械剥离的单层wse2集成到硅基光子结构上，只实现了8倍的光致发光增强；通过弹性应变工程增强单层二维材料的发光，也只有几倍的增强。生长的单分子层通常比其机械剥离的单分子层表现出更低的光致发光量子产率，将生长的wse2单层材料耦合到圆形布拉格光栅结构上，观察到激子发射增强了7倍；最近报道的通过溶剂蒸发使生长的wse2单分子膜机械松弛与基底解耦，与基板耦合生长的单分子层相比实现的光致发光的发射增强也只有一个数量级。尽管提出了许多解决方案来增强单层二维半导体的量子发射，但是实现更高效的光子提取效率、高集成性和可扩展性仍然需要开辟新的方法。而采用本申请的一种简单而高效的复合异质结构，可产生一个大大增强的耦合系统，使单层二维半导体的发光效率大大提高，例如我们在实验室中使化学气相沉积(cvd)法生长的wse2单层材料的发光提高了两个数量级。

单层二维半导体和表面具有凸起结构的三维半导体形成的复合系统提高了发光强度，主要是利用三维半导体的特殊结构在特定的部位有较大的载流子浓度，与单层二维半导体在接触部位发生耦合，产生层间激子跃迁，为单层二维半导体注入额外的激子，同时单层二维半导体受到局部应变发生带隙连续变化产生激子漏斗效应，这两种影响最终使单层二维半导体的发光大大提高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术存在光子提取效率低，集成性和扩展性受限的问题，提供一种提高单层二维半导体发光亮度的方法。该方法提供了一种简单而高效的复合异质结构，提高了单层二维半导体的发光亮度、实现了制造工艺的可扩展性和芯片上的可集成性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种提高单层二维半导体发光亮度的方法，将单层二维半导体集成于表面具有凸起结构的三维半导体：单层二维半导体与三维半导体耦合产生激子漏斗效应和激子注入效应，从而达到提高单层二维半导体发光的目的。

具体物理原理为：表面具有凸起结构的三维半导体使单层二维半导体产生局部应变，单层二维半导体的能带结构发生改变，形成激子漏斗效应；在单层二维半导体与表面具有凸起结构的三维半导体接触部位存在层间激子跃迁，可为单层二维半导体注入额外的激子；激子注入效率依赖于栅极电压，因此能够用栅极电压进一步调节。利用单层二维半导体与表面具有凸起结构的三维半导体组成的复合异质结构，形成的激子漏斗效应与层间激子跃迁共同产生影响，达到提高单层二维半导体发光亮度的目的。

采用上述方法制备的具有高亮度、长期稳定性和芯片可集成性的量子光源，包括：单层二维半导体、表面具有凸起结构的三维半导体、介电层、导电电极、导线以及激光光源；所述单层二维半导体置于表面具有凸起结构的三维半导体上形成复合异质结构，用激光光源照射单层二维半导体，在单层二维半导体上覆盖介电层，在介电层和表面具有凸起结构的三维半导体上连接导线和导电电极，方便复合异质结构接入电子系统，通过施加栅压进行调控。

所述单层二维半导体，是指在一个维度上处于纳米尺度范围的材料。例如但不限定只有这些，包括单层wse2、ws2、gase、mose2、mos2、mote2、snse2、gese和石墨烯等。

所述表面具有凸起结构的三维半导体，是用于耦合单层二维半导体的衬底，可为具有形变或局部形变的任何硅基三维半导体，例如皱纹结构，其波长，幅度，横向蚀刻深度，掺杂浓度为可调参数。三维半导体的凸起结构引起单层二维半导体的局部应变，导致能隙连续变化改变载流子的运动。根据最终计划和应用的场景不同，采用不同参数的结构和尺寸。

所述激光光源照射单层二维半导体，是指在光致发光(pl)的表征过程中，在整个结构上线扫描得到三维pl强度映射。可根据所述单层二维半导体选择激光波长、激光功率。

所述介电层，是指用来施加栅压的绝缘层。所述介电层的制备方法可通过旋涂、蒸镀或溅射。

所述栅压，是指施加在所述单层二维半导体和所述表面具有凸起结构的三维半导体之间的电场，影响激子的注入和跃迁，从而影响单层二维半导体的发光。

所述导电电极，是指使用任意方法，在所述单层二维半导体和所述表面具有凸起结构的三维半导体上形成导电电极。例如光刻法形成模板后用镀膜机镀上一层金属。

所述连接导线，是指具有能将复合异质结构接入电子系统的功能的部分，并非必须有导线，只要复合异质结构能够接入电子系统即可。

所述电子系统，是指可在所述单层二维半导体和所述表面具有凸起结构的三维半导体之间施加电压的电子系统。

有益效果

本发明提供一种提高单层二维半导体发光亮度的方法，集成单层二维半导体与表面具有凸起结构的三维半导体形成复合异质结构，产生了一个大大增强的耦合系统，大大提高了单层二维半导体的发光亮度。简单而高效的硅基复合异质结构是完全可扩展的，有望作为具有高亮度、长期稳定性、芯片可集成性的量子光源，属于量子光学和光子量子信息技术领域。

附图说明

图1为步骤1，表面具有凸起结构的三维半导体；

图2为步骤2，转移单层二维半导体到表面具有凸起结构的三维半导体上；

图3为步骤3，用激光光源照射单层二维半导体测试pl；

图4为步骤4，通过导线将复合异质结构接入电子系统，用激光光源照射单层二维半导体测试pl；

图5为单层二维半导体与表面具有凸起结构的三维半导体形成的复合异质结构的简易三维视图；

图6为复合异质结构提高单层二维半导体发光的原理示意图；

图7为实验测试案例；

图8为wse2单层与三维周期性sige皱纹结构形成的复合异质结构中的激子动力学示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明示例中的附图，对发明示例中的方案进行更加详细的描述。在附图中，相同或者类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或者类似功能的元件。所描述的示例是本发明一部分的实例，而不是全部的实例。

下面通过参考附图描述的实例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中等”、“降低”、“低水平”、“较高水平”、“较低水平”、“较大”、“大幅”和“叠加”等知识的方位、位置或者程度关系为基于附图所示的方位、位置或者程度关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种提高单层二维半导体发光亮度的方法，如图5所示，采用表面具有凸起结构的三维半导体：使单层二维半导体与具有特定结构的三维半导体耦合的同时发生局部应变产生激子漏斗效应，从而达到提高单层二维半导体的发光的目的。

采用上述方法制备的复合异质结构，包括：单层二维半导体、表面具有凸起结构的三维半导体、介电层、导电电极、导线以及激光光源；所述单层二维半导体置于表面具有凸起结构的三维半导体上形成复合异质结构，用激光照射单层二维半导体，观察其pl的变化，在单层二维半导体上覆盖介电层，在介电层和表面具有凸起结构的三维半导体上连接导线，方便复合异质结构接入电子系统中，通过施加栅压进行调控。

所述具有高亮度、长期稳定性、芯片可集成性的量子光源的工作方法如下：

如附图1中所示，操作步骤1，制备表面具有凸起结构的三维半导体，这里举例为使用标准的互补金属氧化物半导体(cmos)兼容处理技术(包括光刻和反应离子蚀刻技术)制备三维周期性的sige皱纹结构。

如附图2中所示，操作步骤2，将单层二维半导体转移到表面具有凸起结构的三维半导体，这里举例为利用湿法转移将cvd法生长的wse2单层材料转移到三维周期性的sige皱纹结构上。

如附图3中所示，用波长为532nm的激光光源照射wse2单层材料不同位置，在整个结构上线扫描得到三维pl强度映射，观察不同位置pl的变化。

如附图4中所示，操作步骤4，在单层二维半导体上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)作为介电层，导线连接在介电层材料和三维周期性的sige皱纹结构上，使复合异质结构接入可施加电压的仪表上。施加不同的电压，测试wse2单层材料上同一位置的光致发光的变化，观察其与电压的关系。

如附图6中所示，关于提高单层二维半导体发光亮度原理的简单说明，单层二维半导体转移到表面具有凸起结构的三维半导体上时，使单层二维半导体产生局部应变，这会导致所述单层二维半导体的能带结构发生改变，反映为所述单层二维半导体的载流子浓度的改变，激子将向局部应变最大而带隙最小的位置漂移，发光强度提高到中等水平；同时表面具有凸起结构的三维半导体在特定的部位有较大的载流子浓度，单层二维半导体与三维半导体接触部位存在层间激子跃迁，可为单层二维半导体注入额外的激子，使单层二维半导体的发光强度提高到一个较高水平，并且激子注入效率依赖于栅极电压，因此能够用栅极电压进行调控。因为单层二维半导体与表面具有凸起结构的三维半导体的特殊集成，两种影响共同贡献，产生一个大大增强的耦合系统，使基于生长的单层二维半导体的发光效率大大提高。

如附图7中所示，这是为了方便理解给出的实验测试数据。测试材料为wse2单层半导体，图a是该样品在sio2/si基底上，测得pl强度～300；图b是该样品在三维周期性sige皱纹结构半导体上，测得pl强度～40000，wse2单层材料的pl强度提高两个数量级以上。图c是该样品在三维周期性sige皱纹结构半导体上的pl强度随施加栅压的变化，测得pl强度随栅压增大而增大，即可通过栅压进一步调控wse2的发光强度。

如附图8中所示，这是wse2单层与三维周期性sige皱纹结构形成的复合异质结构中的激子动力学示意图，表明了激子漏斗效应和激子跃迁两种影响共同作用大大提高wse2单层材料的发光。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。