石墨烯激光器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種石墨烯激光器，包括：第一金屬板、布置在第一金屬板上的第一介質層、形成在第一介質層的部分表面上的第一石墨烯層、形成在第一石墨烯層表面上的勢壘層、分別鄰接地形成在勢壘層兩側的第一金屬電極和第二金屬電極、形成在勢壘層的部分表面上的第二石墨烯層、形成在第二石墨烯層上的第二介質層、以及形成在第二介質層上的第二金屬板；其中，第一金屬電極接觸第一石墨烯層而不接觸第二石墨烯層；而且優選地，第二金屬電極接觸第二石墨烯層而不接觸第一金屬電極。
【專利說明】
石墨烯激光器
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體激光器應用領域，具體涉及一種基于雙層石墨烯結構的太赫茲激光器設計；而且更具體地說，本發明涉及一種石墨烯激光器。
【背景技術】
[0002]近年來，太赫茲技術獲得了長足進步，在太赫茲通信、醫學成像、太赫茲雷達等領域擁有良好的應用前景。在所有太赫茲技術中，基于半導體尤其是三五族化合物半導體的太赫茲激光器和探測器因為具有體積小、結構緊湊、易于集成等優點受到廣泛關注。但由于三五族化合物半導體中電子與聲子，尤其是聲學聲子間的相互作用，使得該類激光器難以在室溫條件下工作，限制了應用范圍。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在上述缺陷，提供一種能夠滿足太赫茲半導體激光器室溫工作應用的需求，提供一種基于雙層石墨烯結構實現太赫茲波激射的技術方案。
[0004]為了實現上述技術目的，根據本發明，提供了一種石墨烯激光器，包括:第一金屬板、布置在第一金屬板上的第一介質層、形成在第一介質層的部分表面上的第一石墨烯層、形成在第一石墨烯層表面上的勢壘層、分別鄰接地形成在勢壘層兩側的第一金屬電極和第二金屬電極、形成在勢壘層的部分表面上的第二石墨烯層、形成在第二石墨烯層上的第二介質層、以及形成在第二介質層上的第二金屬板；其中，第一金屬電極接觸第一石墨烯層而不接觸第二石墨烯層；而且優選地，第二金屬電極接觸第二石墨烯層而不接觸第一金屬電極。
[0005]優選地,第一金屬電極、第二金屬電極、第一金屬板、第二金屬板上分別加有第一正偏置電壓、第一負偏置電壓、第二正偏置電壓、第二負偏置電壓，以便在第一石墨烯層內形成二維空穴氣，在第二石墨烯層內形成二維電子氣。
[0006]優選地，第一正偏置電壓和第一負偏置電壓的電壓值的絕對值相等。
[0007]優選地，第二正偏置電壓和第二負偏置電壓的電壓值的絕對值相等。
[0008]優選地，第一金屬電極和第二金屬電極與勢魚層處于同一層；而且第一金屬電極的下表面接觸第一石墨烯層而不接觸第二石墨烯層，第二金屬電極的上表面接觸第二石墨烯層而不接觸第一金屬電極。
[0009]優選地，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間的勢壘層的厚度介于I至500納米之間。
[0010]優選地，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間的勢壘層的厚度介于3至300納米之間。
[0011]優選地，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間的勢壘層的厚度介于3至100納米之間。
[0012]優選地，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間的勢壘層的厚度介于5至50納米之間。
[0013]優選地，第一介質層和第二介質層的厚度介于5至50微米之間。
[0014]本發明采用雙層石墨烯來代替傳統的三五族化合物半導體材料構成有源區，容易達成粒子數反轉條件，伴隨電子共振隧穿的電磁波激射受溫度影響小，因此基于本發明的太赫茲激光器，具有結構簡單、易集成、激射頻率電壓控制、室溫工作等特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]結合附圖，并通過參考下面的詳細描述，將會更容易地對本發明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優點和特征，其中:
[0016]圖1示意性地示出了根據本發明優選實施例的石墨烯激光器的結構示意圖。
[0017]附圖標記說明:G1為第一石墨烯層、G2為第二石墨烯層、El為第一金屬電極、E2為第二金屬電極、B為勢魚層、Cl為第一介質層、C2為第二介質層、Ml為第一金屬板、M2為第二金屬板。
[0018]需要說明的是，附圖用于說明本發明，而非限制本發明。注意，表示結構的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標有相同或者類似的標號。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明的內容更加清楚和易懂，下面結合具體實施例和附圖對本發明的內容進行詳細描述。
[0020]具有優異光電性能的石墨烯吸引著越來越多學術界和工業界的關注，并且在超高頻、超高速晶體管和太陽能電池等諸多領域有著廣泛應用。石墨烯是一種由單原子層構成的二維材料，它的等離子頻率比一般金屬材料要低得多，正好處在太赫茲范圍，因此石墨烯是太赫茲激光器探測器的合適材料。
[0021]本發明采用采用雙層石墨烯來代替傳統的三五族化合物半導體材料構成有源區，容易達成粒子數反轉條件從而實現石墨烯層間粒子數反轉，伴隨電子共振隧穿的電磁波激射受溫度影響小，具有良好的室溫工作前景。其中，本發明利用雙層石墨烯分別形成二維電子氣和二維空穴氣，實現層間粒子數反轉，電子在層間伴隨共振隧穿激射太赫茲光子，由此利用光子輔助層間電子共振隧穿原理實現太赫茲激光功能。
[0022]圖1示意性地示出了根據本發明優選實施例的石墨烯激光器的結構示意圖。
[0023]如圖1所示，根據本發明優選實施例的石墨烯激光器包括:第一金屬板Ml、布置在第一金屬板Ml上的第一介質層Cl、形成在第一介質層Cl的部分表面上的第一石墨烯層G1、形成在第一石墨烯層Gl表面上的勢壘層B、分別鄰接地形成在勢壘層B兩側的第一金屬電極El和第二金屬電極E2、形成在勢壘層B的部分表面上的第二石墨烯層G2、形成在第二石墨烯層G2上的第二介質層C2、以及形成在第二介質層C2上的第二金屬板M2。
[0024]其中，第一金屬電極El和第二金屬電極E2與勢魚層B處于同一層。
[0025]如圖1所不,優選地,第一金屬電極El (例如,第一金屬電極El的下表面)接觸第一石墨烯層Gl而不接觸第二石墨烯層G2 ;而且優選地，第二金屬電極E2 (例如，第二金屬電極E2的上表面)接觸第二石墨烯層G2而不接觸第一金屬電極El。
[0026]其中，第一金屬電極E1、第二金屬電極E2、第一金屬板Ml、第二金屬板M2上分別加有第一正偏置電壓V、第一負偏置電壓-V、第二正偏置電壓Vg、第二負偏置電壓-Vg,由此在第一石墨烯層Gl內形成二維空穴氣，在第二石墨烯層G2內形成二維電子氣。
[0027]優選地，第一正偏置電壓V和第一負偏置電壓-V的電壓值的絕對值相等；優選地，第二正偏置電壓Vg和第二負偏置電壓-Vg的電壓值的絕對值相等。由此可以簡化控制操作，并且提高控制靈活性。
[0028]第一正偏置電壓V和第一負偏置電壓-V的電壓值的絕對值(即，偏壓V)控制石墨烯內費米能級的變化，而第二正偏置電壓Vg和第二負偏置電壓-Vg的電壓值的絕對值(即，偏壓Vg)則決定著兩層石墨烯狄拉克點能差大小，進而決定著激射太赫茲波的頻率大小。
[0029]優選地，作為隧穿勢壘的材料，第一石墨烯層Gl和第二石墨烯層G2之間的勢壘層B的厚度為幾個納米，例如介于I至500納米之間，優選地介于3至300納米之間，更優選地介于3至100納米之間,進一步優選地介于5至50納米之間。
[0030]優選地，第一介質層Cl和第二介質層C2的厚度為幾個微米，例如介于I至100微米之間，優選地介于5至50微米之間。
[0031 ] 在具體實施例中，有源區中的勢壘層B和波導中的第一介質層Cl和第二介質層C2的材質可以為hBN等；而且，在具體實施例中，第一金屬板Ml和第二金屬板M2的材質可以為銅等金屬。
[0032]可以看出，在本發明中，雙層石墨烯相隔幾個納米，中間有作為隧穿勢壘的材料，各層石墨烯分別只與一端電極連接；在雙層石墨烯外部分別包裹一層厚介質材料和最外部覆上金屬一同構成“金屬-介質-有源區-介質-金屬波導”結構；在兩端電極上加上偏壓可以使得一層石墨烯形成二維電子氣，另一層形成二維空穴氣，而在構成波導金屬上極性不同偏壓不僅可以強化這種粒子數反轉，還能改變兩層石墨烯狄拉克點能差，決定太赫茲波激射頻率。
[0033]具體地說，在本發明中，激光器的有源區由雙層石墨烯和中間作為勢壘的介質構成，有源區外的波導層由兩個介質層和最外層的金屬板共同構成；在電極上加上偏壓后在有源區內形成電場，該電場會改變石墨烯內電子空穴分布。由于兩層石墨烯各自僅與一個電極接觸，而與另一個電極電學上是斷開的，因此偏置電場使得一層石墨烯內費米能級抬高，而另一層內費米能級降低，即一層石墨烯形成二維電子氣，另一層形成二維空穴氣，實現了層間粒子數反轉，滿足電磁波激射條件。在構成波導的兩層金屬帶上加上極性不同偏壓，由于耗盡作用可以強化這種粒子數反轉，同時還改變了兩層石墨烯狄拉克點能差。正常工作時，形成二維電子氣的一層石墨烯內的電子由于共振隧穿作用穿過勢壘到達另一層石墨烯，為滿足能量守恒和動量守恒條件，共振隧穿將伴隨輻射一個光子，這個光子的頻率主要有兩層石墨烯的狄拉克點能差決定，也就是說，激射頻率可以由電壓來控制。
[0034]由此，本發明采用雙層石墨烯來代替傳統的三五族化合物半導體材料構成有源區，容易達成粒子數反轉條件，伴隨電子共振隧穿的電磁波激射受溫度影響小，因此基于本發明的太赫茲激光器，具有結構簡單、易集成、激射頻率電壓控制、室溫工作等特點。
[0035]此外，需要說明的是，除非特別說明或者指出，否則說明書中的術語“第一”、“第二”、“第三”等描述僅僅用于區分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關系或者順序關系等。
[0036]可以理解的是，雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發明。對于任何熟悉本領域的技術人員而言，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種石墨烯激光器，其特征在于包括:第一金屬板、布置在第一金屬板上的第一介質層、形成在第一介質層的部分表面上的第一石墨烯層、形成在第一石墨烯層表面上的勢壘層、分別鄰接地形成在勢壘層兩側的第一金屬電極和第二金屬電極、形成在勢壘層的部分表面上的第二石墨烯層、形成在第二石墨烯層上的第二介質層、以及形成在第二介質層上的第二金屬板；其中，第一金屬電極接觸第一石墨烯層而不接觸第二石墨烯層；而且優選地，第二金屬電極接觸第二石墨烯層而不接觸第一金屬電極。
2.根據權利要求1所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一金屬電極、第二金屬電極、第一金屬板、第二金屬板上分別加有第一正偏置電壓、第一負偏置電壓、第二正偏置電壓、第二負偏置電壓，以便在第一石墨烯層內形成二維空穴氣，在第二石墨烯層內形成二維電子氣。
3.根據權利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一正偏置電壓和第一負偏置電壓的電壓值的絕對值相等。
4.根據權利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第二正偏置電壓和第二負偏置電壓的電壓值的絕對值相等。
5.根據權利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一金屬電極和第二金屬電極與勢壘層處于同一層；而且第一金屬電極的下表面接觸第一石墨烯層而不接觸第二石墨烯層，第二金屬電極的上表面接觸第二石墨烯層而不接觸第一金屬電極。
6.根據權利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間的勢壘層的厚度介于I至500納米之間。
7.根據權利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間的勢壘層的厚度介于3至300納米之間。
8.根據權利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間的勢壘層的厚度介于3至100納米之間。
9.根據權利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一石墨烯層和第二石墨烯層之間的勢壘層的厚度介于5至50納米之間。
10.根據權利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一介質層和第二介質層的厚度介于5至50微米之間。
【文檔編號】H01S1/02GK104466618SQ201410756855
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優先權日:2014年12月10日
【發明者】鐘旭 申請人:上海電機學院