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Nature:二维异质结激光器

  半导体激光器具有器件紧凑,波长范围大,电泵浦效率高,电调制速度快等优点,在当今的各类技术中应用十分广泛。半导体激光器主要基于传统的III-V族半导体量子阱。为进一步降低功耗,减小尺寸,并更好地与Si集成,大量研究工作致力于开发新型增益材料和结构,例如纳米线激光器,等离子体激光器,以及光子晶体激光器。然而,可调谐性、电泵浦以及异质集成方面依旧存在不足。

  最近,单层过渡金属硫族化合物晶体(TMDCs)由于具有原子级厚度和强激子发射,逐渐成为一类新型的半导体激光器材料。3D半导体因晶格失配在基底选择方面十分有限,而2D的TMDCs则因不具有悬挂键,能直接与不同基底组合。

  前人的研究采取了两个指标来评估单层TMDCs产生激光的过程:泵浦功率变化时,线宽以及非线性强度依赖性的变化。然而,在相关研究中,光子通量疑似低于激发阈值。空间相干性——激光器的重要特征之一,则未被研究。因此,很难确定局域激子(诸如点缺陷)不是非线性依赖性现象的源头。此外,对于单层物质作为增益材料的情况,可调谐性存在局限,其本身(不与其他掺杂半导体接触)也不能成为垂直p-n结。

  相比之下,异质结打开了调控能带结构和激子态的大门。目前异质结中的空间非直接激子已被广泛研究,其具有可电调谐的长程相互作用静态偶极子。然而,空间非直接激子的振荡强度较低,限制了其进一步应用。

  近日,密歇根大学安娜堡分校物理系Hui Deng课题组发现,通过将2D WSe2–MoSe2异质结置于SiN光栅腔上,层间激子成为有效的增益媒质,使得在较低粒子数反转密度下就能形成扩展空间相干性激光发射。

  如图1b所示,通过在相距1 nm以内的两个异质单层之间形成直接带隙,层间激子维持了足够大的振荡强度。II型能带排列则使异质结形成了三能级系统,通过层内激子共振及随后的电子快速转移至低能级的空导带(图1c),电泵浦能高效进行。因此,粒子数反转很容易在减小的带隙处实现,同时能避免载流子在层内的快速辐射损失。此外,与单层材料激子激光器使用的某些谐振腔相比,该装置所用谐振腔完整覆盖了异质结,使整个异质结区域存在增益,并支撑了扩展空间相干性。由此,实验中成功观测到了激光的产生,伴随着空间相干长度的陡增。随着泵浦功率增加,发射强度先是在穿过激发阈值时非线多倍,随后持续地线. 双层异质结和光栅腔的性质。

  总之,该研究开创性地将工程化TMDC异质结中的层间激子作为高效的激光激发媒质。与单层TMDC中的激子相比,该异质结激子具有可电调谐的长程偶极相互作用和振荡强度,强健的谷极化,以及适合于电注入的II型能带排列。

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