基于甲氨基卤化物钙钛矿的片上集成光器件研究
功能性器件的片上集成技术是半导体行业蓬勃发展的基础，历经几十年的开拓，片上集成化成为了半导体器件研究的重中之重。在这其中光学器件是半导体的研究领域中的重要组成部分，光学器件不仅仅需要片上集成化，而且要不断朝向亚波长尺寸和材料体系多元化的方向前进。伴随着硅基材料体系通过纳米制备技术的发展不断突破摩尔定律的同时，其他材料体系的研究也为片上半导体器件提供了补充甚至创造了新的方向。仅仅近在十年前，甲氨基卤化铅钙钛矿从光伏领域出发逐步走入研究者们的视野。钙钛矿材料表现出了非常稳定的自发辐射放大和激光出射的光学性质并且带隙可调，而量子效率甚至能够接近100％，种种优异性质将带来的是光电子器件领域的产业革新。 在当前的研究中，针对材料性质进行深入探索的同时也在成熟的半导体器件架构中将钙钛矿材料直接制备成光器件。然而问题在于目前产业中尚未开发出应用于卤化物钙钛矿的制备工艺，在大多数情况下自然合成生长的钙钛矿微米片和纳米线通常具有随机的尺寸大小，无法成为形状可控且激光模式可调的片上集成器件。钙钛矿半导体的更丰富的片上器件应用则受到了阻碍。 本论文从解决卤化物钙钛矿的片上集成中面临的重要问题的研究点出发，首次实现了激光腔体可构型，激光性质可重复的卤化物钙钛矿片上激光源。创造了拓扑荷数从-4到+4变化的携带轨道角动量的钙钛矿涡旋片上激光器。将卤化物钙钛矿直接在光波导上集成，并且实现了半径约70nm的颗粒的实时检测。一系列的钙钛矿片上集成光器件研究极大的促进了钙钛矿激光在片上光互联，生物传感和量子光学领域的应用，拓展了钙钛矿材料的光学器件实际应用。本论文开展以下研究： （1）从甲基氨基卤化铅钙钛矿材料性质出发，在微纳米制备技术的基础上探究甲基氨基卤化铅钙钛矿单晶的片上集成能力。详细分析了多组利用溶液法生长的钙钛矿单晶的激光性质并结合数值仿真计算验证了其各自激光模式。验证了钙钛矿单晶在片上集成光源应用中的可重复性困难，并提出了解决问题方向。利用液晶封装钙钛矿单晶实现了激光出射受温度调控的钙钛矿激光器单元。 （2）开发了一种针对钙钛矿单晶的自上而下改良制备，成功制备出了钙钛矿圆盘腔体及图案化器件。其中主要研究内容包括用电子束光刻对钙钛矿微米片进行掩膜图案化，并用感应耦合等离子体进行刻蚀加工，获得高质量的圆盘形钙钛矿单晶腔体。圆盘钙钛矿单晶能够产生高品质因子激光出射，激光品质因子高于自然生长的单晶一个量级以上。与此同时，通过对器件的模式间隔和激光波长的分析，发现此激光器拥有可控性和可重复性。还通过制造变形圆盘腔体实现了独特的单向激光发射特性，解决了钙钛矿半导体器件发展中的重要难题。 （3）甲氨基卤化物钙钛矿可以作为片上激光光源应用到光器件中。但是现有的钙钛矿激光普遍是线性偏振的，也就是只具有均匀的波前而缺少携带轨道角动量的结构化激光，这与下一代光通信的高容量需求相悖。本论文通过优化制备工艺制备了钙钛矿薄膜的圆环光栅结构，获得了钙钛矿垂直面发射激光器(VCSEL)。进一步将结构改变成为不同臂数的阿基米德螺旋光栅，片上钙钛矿激光器的波阵面变为螺旋形，为钙钛矿激光器赋予了-4到+4的拓扑荷数。具有高方向性出射和拓扑荷数可控的钙钛矿涡旋片上激光器的研究将极大地发掘了钙钛矿片上激光器在光学网络、生物传感和量子光学中的应用潜力。 （4）通过将卤化物钙钛矿纳米片集成到氮化硅Si3N4波导上，实现了钙钛矿波导光的片上光电探测器。其可以用作光学传感器，甚至在极性溶液中也可以探测纳米级物体。这种集成波导钙钛矿光电探测器的性能参数可以与采集表面空间光的探测器一样好，同时兼具检测波导中光信号微小变化的能力。可以通过光电流的实时变化检测到半径为70-80nm的纳米级物体，更重要的是得益于片上探测器的集成性，整个传感系统仅使用常规的半导体激光光源和标准的光纤耦合系统，设备应用性和便携性都得到了显著提高。研究中的片上集成钙钛矿光学传感器能够在未来的点护理（POC）、生物芯片以及可穿戴设备中发挥重要作用。 综上所述，本论文以甲基氨基卤化铅钙钛矿为材料体系，利用微纳米制备技术作为基础并针对性改良，研究了从钙钛矿半导体片上激光光源到片上光电探测器的器件创新。开发出了针对钙钛矿单晶的自上而下器件制备技术，解决了钙钛矿半导体器件发展的重要困难，并在此基础上进一步将携带相位信息的涡旋激光引入钙钛矿片上系统。成功利用钙钛矿材料半定量探测半径约70nm的聚苯乙烯颗粒。本论文的研究工作进一步促进了片上光互联，生物传感以及量子光学的发展。
片上集成光器件;卤化物钙钛矿;制备工艺;涡旋激光;相位信息
哈尔滨工业大学
博士
物理电子学
宋清海
2019
中文
TN256;TN205
2020-12-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）