全矽量子點納米雷射器及其製備方法
2023-05-26 16:13:51
專利名稱：全矽量子點納米雷射器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及納米光子材料和新型雷射技術領域，特別是涉及一種全矽量子點納米 雷射器及其製備方法。
背景技術：
當今的發展進入晶片上的光電子集成與晶片級的全光化，這是實現光量子信息處 理和光量子信息計算的關鍵，而作出矽晶片上的用於光互聯的光源與傳播節點是一項瓶頸 性的工作。目前，急需晶片級的微型雷射與相干光源。今天，建立在矽基上的微電子信息產業高度發達，但是受尺寸與功耗的限制，摩爾 定律已經到了適用範圍的極限。科學家們試圖以光互聯為基礎在矽基上建立起全新的光 量子信息處理系統，取代現在的微電子信息系統，實現資訊時代革命性的跨越。這裡，我們 要解決幾個關鍵性的問題，一是在什麼材料上建立光量子信息處理系統，有些材料特別是 半導體材料的光學性質很好(例如砷化鎵半導體材料)，但是矽材料有很好的基礎且屬於環 保材料，所以最終選擇在矽基上建立光量子信息處理系統。二是需要改進矽材料的光學性 質，我們知道單晶矽的間接帶隙結構致使矽材料的發光效率很低，而改進矽材料的光學性 質的途徑主要是採用能帶工程，製備矽的低維納米結構獲取準直接帶隙結構，如納米矽、多 孔矽、鍺矽應變層和納米氧化矽等材料。三是急需在矽晶片上建立能夠集成的相干光源與 微型雷射器。2000年L. Pavesi研究小組的工作實現了氧化矽中鑲嵌納米矽結構的光致發光的 光學增益，這奠定了電泵浦和光泵浦全矽基相干光源的基礎。但是，歸納起來，國內外近十 年的研究工作仍存在問題在上述材料的製備中存在諸多的不足，如多孔矽不易保存、發光 不穩定，納米矽和鍺矽應變層的製備成本高(傳統的分子束外延(MBE)方法和化學氣相沉積 (CVD)方法)、不易產業化等。目前，還沒有晶片級的雷射器。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種全矽量子點納米雷射器以及該雷射器的 製備方法，該雷射器是晶片級雷射器，可以集成在矽晶片上。為了解決上述技術問題，本發明採用如下的技術方案
一種全矽量子點納米雷射器該納米雷射器用光泵浦激發，以全矽量子點為工作物質， 採用二維光子晶體諧振選模並產生激射。上述雷射器的工作物質一全矽量子點的尺寸為納米數量級並被氧化矽或氮化矽 包裹，二維光子晶體是微米數量級的圓孔腔體陣列，圓孔間距為5 30 μ m，光泵浦採用固 體雷射或半導體雷射泵浦。前述雷射器的全矽量子點位於圓孔腔體陣列的二維光子晶體中。前述全矽量子點納米雷射器的製備方法
(1)工作物質的製備用脈衝雷射束輻照單晶矽片，調節脈衝雷射束功率密度至產生白色等離子體輝光，在氮氣氛圍中用調節好的30 60納秒脈寬的脈衝雷射束照射樣品9 10秒，再在氧氣氛圍中用調節好的70 120納秒脈寬的脈衝雷射束照射樣品12 19秒， 然後置於氮氣氛圍中在1000°c高溫下退火25 30分鐘，自然冷卻至室溫後置於氧氣氛圍 中在1000°C高溫下退火35 50分鐘，即得工作物質；
(2)然後用532nm脈衝雷射束照射加工好的工作物質，得微米數量級的圓孔腔體陣列， 並用飛秒脈衝雷射束修整定形，形成二維光子晶體。具體的，上述製備方法為
(1)預處理對單晶矽片進行摻雜，形成電阻率2 20歐·釐米的矽片，用氫氟酸除去 矽表面在空氣中形成的氧化矽層，並用酒精和去離子水清潔表面；
(2)調整1064nm波長脈衝雷射束，用調Q獲取納秒脈衝雷射，倍頻後在532nm波長激 光束斑下調節基模出射，調雷射重複率至3200次/秒、脈寬30 60納秒，除掉倍頻鏡，在 1064nm波長雷射束下調節匯聚到矽表面上的功率密度至產生白色等離子體輝光；
(3)矽片加工在氮氣氛圍中，用調整好的脈寬30 60納秒脈寬的脈衝雷射束照射所 獲得的單晶矽片9 10秒，再在氧氣氛圍中用70 120納秒脈寬的脈衝雷射束照射單晶 矽片12 19秒；
(4)高溫退火將加工好的單晶矽片放入高溫退火爐，在氮氣氛圍中，在1000°C高溫 下退火25 30分鐘，自然冷卻至室溫後再次放入高溫退火爐，在氧氣氛圍條件下，保持 1000°C高溫退火35 50分鐘，即得工作物質；
(5)二維光子晶體加工用調Q獲取納秒脈衝雷射，倍頻後在532nm波長雷射束斑下調 節基模出射，控制步驟(4衝的矽片，每隔5 30 μ m用脈衝雷射照射，即得圓孔腔體陣列。；
工作原理作為工作物質的全矽量子點表面被氧或氮鍵合而產生帶缺陷的鈍化，由此 在帶隙中形成陷阱電子態(可與價帶頂能級形成粒子數反轉)，由陷阱電子態到價帶頂能級 形成輻射躍遷產生受激發光(如圖5所示)，作為諧振選模的二維光子晶體是微米數量級的 圓孔腔體陣列，量子點結構位於圓孔腔體中。與現有技術相比，本發明提供的是一種全矽的納米雷射器，該雷射器包括三個主 要部分(如圖1所示)，一是作為雷射器工作物質的全矽量子點結構，二是採用二維光子晶體 作為雷射的諧振選模元件，三是採用固體雷射或半導體雷射提供雷射器泵浦，其主體結構 的線徑尺寸約為100 μ Μ,出光波長可在570nm 760nm範圍調節。該雷射器全部採用納秒 脈衝雷射束加工，所用的雷射束斑以基模為主，可通過光學匯聚系統控制雷射束斑線徑從 一微米到一百微米，加工範圍寬；雷射脈衝的脈寬控制在30 120納秒，通過三維微動定位 系統可對矽樣品實施精確到IOOnm的定位和掃描加工；用每秒上千個納秒雷射脈衝相干在 單晶矽上加工，製備的全矽量子點納米雷射器結構的穩定性和重複性好，發光性質在短波 雷射泵浦下有很好的光增益，且相干性很好。製備成本低並易於實現大規模產業化生產。
圖1是全矽量子點納米雷射器結構的示意圖； 圖2是全矽量子點納米雷射器工作示意圖3是作為雷射器工作物質的全矽量子點結構的TEM圖； 圖4是作為雷射器諧振選模元件的二維光子晶體的顯微圖；圖5是在514nm波長雷射泵浦下的光增益圖； 圖6是全矽量子點納米雷射器的變角度波分復用輸出示意圖； 圖7是全矽量子點納米雷射器的出光脈衝； 圖8是P型矽上的全矽量子點納米雷射的電泵浦側面出光結構圖。
具體實施例方式實施例1 用1064nm波長的納秒脈衝雷射束在矽表面上製備穩定的全矽量子點納 米雷射器
(1)預處理對單晶矽片進行P型摻雜，形成電阻率2 20歐·釐米的矽片，用氫氟酸 除去矽表面在空氣中形成的氧化矽層，並用酒精和去離子水清潔表面；
(2)獲取脈衝雷射束用LD泵浦的Nd:YAG固體雷射器，採用聲光調Q獲取納秒脈衝激 光；用KTP晶體實現角度匹配倍頻，在532nm波長雷射束斑下調節基模出射；將匯聚透鏡放 至合適位置，匯聚雷射束斑到需要的線徑；調雷射重複率至3200次/秒、脈寬30 60納 秒，除掉倍頻鏡，在1064nm波長雷射束下調節匯聚到矽表面上的功率密度至產生白色等離 子體輝光；
(3)矽片加工在氮氣氛圍中，用調整好的脈寬30 60納秒脈寬的脈衝雷射束照射單 晶矽片9 10秒，再在氧氣氛圍中用70 120納秒脈寬的脈衝雷射束照射單晶矽片12 19秒；
(4)高溫退火將加工好的單晶矽片放入高溫退火爐，在氮氣氛圍中，在1000°C高溫 下退火25 30分鐘，自然冷卻至室溫後再次放入高溫退火爐，在氧氣氛圍條件下，保持 1000°C高溫退火35 50分鐘，即得全矽量子點結構；
(5)二維光子晶體加工用調Q獲取納秒脈衝雷射，倍頻後在532nm波長雷射束斑下調 節基模出射，在微米微動樣品臺上控制矽片，每隔5 30μπι用脈衝雷射束斑照射，加工出 圓孔腔體陣列，即得。實施例2 全矽量子點納米雷射器的應用
將全矽量子點納米雷射器組裝在晶片上有兩種方案一是固定作為雷射器的諧振選模 的二維光子晶體光路角，選定泵浦光和出射光的光路角度，固定模式輸出。二是可以改變作 為雷射器的諧振選模的二維光子晶體光路角，通過改變泵浦光和出射光的光路角度(如圖6 所示)，實現波分復用的模式匹配。作為在矽晶片上的光互聯應用，短波雷射泵浦下可獲取可見光區的相干性好的很 強的受激發光(如圖7所示)，可用於光電子集成矽晶片上的光互聯的雷射源與傳播元件。改 變納米結構尺寸和表面與界面的性狀可以實現出光頻率的調節。可以通過二維光子晶體來 實現諧振選模(如圖4所示)，並激射出光，組裝矽晶片上的LD。為矽晶片上的量子計算與量 子信息處理實現全光化奠定基礎。可用於晶片上電泵浦出光的組裝方案為(如圖8所示)Ρ型矽多層結構電泵浦側 面出光，在P區鍍金膜加負極、在全矽量子點納米結構處鍍鋁膜加正極分別注入載流子，納 米結構增益區側面出光。
權利要求
1.一種全矽量子點納米雷射器，其特徵在於該納米雷射器用光泵浦激發，以全矽量 子點為工作物質，採用二維光子晶體諧振選模並產生激射。
2.按照權利要求1所述全矽量子點納米雷射器，其特徵在於所述全矽量子點的尺寸 為納米數量級並被氧化矽或氮化矽包裹。
3.按照權利要求1所述全矽量子點納米雷射器，其特徵在於二維光子晶體是微米數 量級的圓孔腔體陣列，圓孔間距為5 30 μ m。
4.按照權利要求1所述全矽量子點納米雷射器，其特徵在於光泵浦採用固體雷射或 半導體雷射泵浦。
5.按照權利要求1至3任一所述全矽量子點納米雷射器，其特徵在於全矽量子點位 於圓孔腔體陣列的二維光子晶體中。
6.權利要求1至5任一所述全矽量子點納米雷射器的製備方法，其特徵在於(1)工作物質的製備用脈衝雷射束輻照單晶矽片，調節脈衝雷射束功率密度至產生白 色等離子體輝光，在氮氣氛圍中用調節好的30 60納秒脈寬的脈衝雷射束照射樣品9 10秒，再在氧氣氛圍中用調節好的70 120納秒脈寬的脈衝雷射束照射樣品12 19秒， 然後置於氮氣氛圍中在1000°c高溫下退火25 30分鐘，自然冷卻至室溫後置於氧氣氛圍 中在1000°C高溫下退火35 50分鐘，即得工作物質；(2)然後用532nm脈衝雷射束照射加工好的工作物質，得微米數量級的圓孔腔體陣列， 並用飛秒脈衝雷射束修整定形，形成二維光子晶體。
7.按照權利要求6所述全矽量子點納米雷射器的製造方法，其特徵在於(1)預處理對單晶矽片進行摻雜，形成電阻率2 20歐·釐米的矽片，用氫氟酸除去 矽表面在空氣中形成的氧化矽層，並用酒精和去離子水清潔表面；(2)調整1064nm波長脈衝雷射束，用調Q獲取納秒脈衝雷射，倍頻後在532nm波長激 光束斑下調節基模出射，調雷射重複率至3200次/秒、脈寬30 60納秒，除掉倍頻鏡，在 1064nm波長雷射束下調節匯聚到矽表面上的功率密度至產生白色等離子體輝光；(3)矽片加工在氮氣氛圍中，用調整好的脈寬30 60納秒脈寬的脈衝雷射束照射所 獲得的單晶矽片9 10秒，再在氧氣氛圍中用70 120納秒脈寬的脈衝雷射束照射單晶 矽片12 19秒；(4)高溫退火將加工好的單晶矽片放入高溫退火爐，在氮氣氛圍中，在1000°C高溫 下退火25 30分鐘，自然冷卻至室溫後再次放入高溫退火爐，在氧氣氛圍條件下，保持 1000°C高溫退火35 50分鐘，即得工作物質；(5)二維光子晶體加工用調Q獲取納秒脈衝雷射，倍頻後在532nm波長雷射束斑下調 節基模出射，控制步驟(4)中的矽片，每隔5 30 μ m用脈衝雷射照射，即得圓孔腔體陣列。
全文摘要
本發明公開了一種全矽量子點納米雷射器及其製備方法，該納米雷射器用光泵浦激發，以全矽量子點為工作物質，採用二維光子晶體諧振選模並產生激射，採用納秒脈衝雷射束加工，其主體結構的線徑尺寸約為100μM，是目前體積最小的雷射器，該雷射器的出光功率可達1毫瓦，出光波長可在570nm～760nm範圍調節，製備的全矽量子點納米雷射器結構的穩定性和重複性好，發光性質在短波雷射泵浦下有很好的光增益，且相干性很好。製備成本低並易於實現大規模產業化生產。
文檔編號H01S5/30GK102064470SQ20101059231
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者黃偉其 申請人:貴州大學