專利名稱：一種波長連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光子學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種波長連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器及其制備方法。
本發(fā)明提出的波長連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器，由如下部分依次組合構(gòu)成底層電極、n型半導(dǎo)體、半導(dǎo)體激光材料、p型半導(dǎo)體、上層電極、劈型電極和電源，其結(jié)構(gòu)如

圖1所示。其中，夾在p型和n型半導(dǎo)體間的激光材料，其量子點(diǎn)具有受激發(fā)特性，材料表面具有多個(gè)平行的量子點(diǎn)帶，每個(gè)量子點(diǎn)帶內(nèi)的量子點(diǎn)尺寸相同，且均勻分布，而各帶間的量子點(diǎn)尺寸不同，并且從左到右，量子點(diǎn)尺寸呈連續(xù)單調(diào)變化(圖2中為從左到右連續(xù)增加)，如圖2所示。
本發(fā)明中，半導(dǎo)體激光材料表面平行的量子點(diǎn)帶一般可為3-10個(gè)，也可以更多。其中，量子點(diǎn)的尺寸一般為小于100nm。
本發(fā)明中，上層電極由多個(gè)電極組成，每個(gè)量子點(diǎn)帶對應(yīng)一個(gè)電極。電極呈帶狀，其形狀同所對應(yīng)的量子點(diǎn)帶基本相同(略小些)，位置處于該量子點(diǎn)帶的正上方；各電極間為電絕緣材料，間隙寬度大于劈形電極的寬度。底部電極為連續(xù)分布的金屬層。
本發(fā)明原理如下 由于所用半導(dǎo)體發(fā)光材料，其量子點(diǎn)具有受激發(fā)射特性。當(dāng)劈形電極從左到右移動(dòng)時(shí)，該激光器會(huì)發(fā)射出波長連續(xù)變化的光束，這是源于量子限域效應(yīng)。該效應(yīng)指出當(dāng)固體尺寸小到一定程度時(shí)(如納米級的量子點(diǎn))，固體能級間距由量子點(diǎn)的尺寸所決定。而能級間距決定了發(fā)射光的波長。因此，如果能夠連續(xù)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)尺寸，就可以連續(xù)地調(diào)節(jié)能級間距，從而獲得波長連續(xù)可調(diào)的發(fā)光材料。本發(fā)明中，發(fā)光材料具有受激發(fā)射特性，所得到的就是波長連續(xù)可調(diào)的激光材料。由于使用離子束濺射形成自組織量子點(diǎn)列陣的方法，可以精確地控制量子點(diǎn)的尺寸。
本發(fā)明中，上述半導(dǎo)體激光材料可以為一層，如圖1所示，也可以是多層，即得到多層的波長連續(xù)可調(diào)的量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器，由此可大大增加發(fā)光強(qiáng)度。其層數(shù)一般在10以下。其制備可結(jié)合鍍膜技術(shù)進(jìn)行，即在單層材料上鍍上相同的一層半導(dǎo)體材料，在這層膜上，產(chǎn)生同下面那層膜完全相同的量子點(diǎn)列陣。此過程可以重復(fù)繼續(xù)下去，直到達(dá)到所需要的層數(shù)為止。其側(cè)面示意圖如圖3所示。
本發(fā)明還提出了上述波長連續(xù)可調(diào)的量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器的制備方法，具體步驟如下1、首先挑選半導(dǎo)體材料，其已知的量子點(diǎn)發(fā)光波長接近所需要的波長值。所謂量子點(diǎn)指的是尺寸小于100nm的原子團(tuán)顆粒。
2、在經(jīng)過摻雜的、表面平整(原子級或接近原子級)的該n形半導(dǎo)體上，鍍上一層厚約為1微米的、平整的該半導(dǎo)體薄膜。鍍膜方法可采用發(fā)明人近來發(fā)展的聚焦離子束濺射制備自組織量子點(diǎn)列陣的方法，它具有準(zhǔn)確控制量子點(diǎn)尺寸的特點(diǎn)，(M.Lu(陸明)，X.J.Yang，s.s.Perry，J.W.Rabalais，Applied Physics Letters，80，2096(2002))。利用該技術(shù)在半導(dǎo)體薄膜表面，制備得到如圖2所示的量子點(diǎn)列陣。在制備條件允許情況下，量子點(diǎn)帶數(shù)目越多，相鄰帶間量子點(diǎn)尺寸差別越小，則所得到激光的波長連續(xù)性越好。一層上量子點(diǎn)帶可為3-10個(gè)。另外，結(jié)合鍍膜技術(shù)，還可以制備如圖3所示的多層具有量子點(diǎn)帶的激光材料膜層。一般而言，層數(shù)可以為10層以下。
3、在上述表面具有平行量子點(diǎn)帶的激光材料上，覆蓋一層經(jīng)過摻雜的該p形半導(dǎo)體薄膜。如圖1所示。p型和n型半導(dǎo)體的作用是1)作為光波導(dǎo)，將光線約束在p型和n型半導(dǎo)體之間的層面；2)可通過注入載流子，提高光發(fā)射強(qiáng)度。
4、鍍上上層電極以及間隔的電絕緣材料，再鍍上連續(xù)分布的底層電極。
5、半導(dǎo)體膜材料兩端拋光，以形成諧振腔。
6、配上劈形電極和電源，裝配成激光器。圖1為電激勵(lì)的激光器。當(dāng)劈形電極從左到右移動(dòng)時(shí)，該激光器會(huì)發(fā)射出波長連續(xù)變化的光束。
上述步驟2-4，在真空環(huán)境下進(jìn)行。
本發(fā)明制備波長連續(xù)可調(diào)的量子點(diǎn)激光薄膜材料，可由以下四點(diǎn)得到保證1)所選半導(dǎo)體材料，其量子點(diǎn)均已知具有受激發(fā)射特性；2)我們發(fā)展的聚焦離子束濺射制備自組織量子點(diǎn)列陣的方法，可以精確地控制量子點(diǎn)的尺寸；3)量子限域效應(yīng)保證了量子點(diǎn)所發(fā)射的光波長隨量子點(diǎn)尺寸單調(diào)變化，這也已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)所證明；4)聚焦離子束濺射法產(chǎn)生的量子點(diǎn)，已證明是納米單晶，因此由缺陷造成的非輻射復(fù)合中心對光發(fā)射的影響很小。
本發(fā)明中，采用聚焦的惰性離子束正入射(垂直于樣品表面)樣品表面，并通過調(diào)節(jié)離子濺射參數(shù)，形成圖2所示的量子點(diǎn)列陣。量子點(diǎn)帶尺寸具體可根據(jù)硅底片大小及量子點(diǎn)帶的數(shù)量而定，一般可以為帶寬2-3毫米，帶長約4-6毫米，帶之間的間距約0.8-1.2毫米，劈形電極寬度小于帶之間的間距，其長度同量子點(diǎn)帶長度相同。
本發(fā)明中，所用半導(dǎo)體樣品，其量子點(diǎn)已知具有受激發(fā)射特性，如InAs(1080nm)、InGaAs(1100nm)、Si(750nm)、ZnS(620nm)、CdSe(540nm)、ZnSe(445nm)等。括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為已知的量子點(diǎn)發(fā)光波長。樣品表面需平整(原子級或接近原子級)。
本發(fā)明中，結(jié)合鍍膜技術(shù)(如離子濺射沉積，激光燒蝕沉積等)，制備多層的波長連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光材料。
本發(fā)明中，p型、n型半導(dǎo)體由相應(yīng)的發(fā)光半導(dǎo)體樣品經(jīng)過摻雜而成。
由本發(fā)明制得了波長連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器，可減少半導(dǎo)體激光器的選材工作量，且能精確地得到所需的波長，大大促進(jìn)光電器件、光子器件的開發(fā)。
圖2單層波長連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光材料表面量子點(diǎn)帶圖示。
圖3多層波長連續(xù)可調(diào)的量子點(diǎn)半導(dǎo)體材料構(gòu)成圖示。
圖4上層電極絕緣間隔圖示。
圖5上層電極結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標(biāo)號(hào)1為底電極，2為n型半導(dǎo)體，3為波長連續(xù)可調(diào)的量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光材料，4為p型半導(dǎo)體，5為上層電極，6為劈形電極，7為上電極層的絕緣間隙，8為電源。
實(shí)施例以制備波長連續(xù)可調(diào)的5層量子點(diǎn)GaAs激光器為例。
1.在n型GaAs上，利用鍍膜技術(shù)鍍上厚為1微米的GaAs膜。
2.利用濺射離子槍產(chǎn)生的聚焦Ar離子束，以正入射角度濺射GaAs膜表面，束流密度要求大于150微安/平方厘米，束斑小于0.5毫米，束斑在2毫米(垂直于量子點(diǎn)帶)×5毫米(平行于量子點(diǎn)帶)范圍內(nèi)掃描。離子槍出口電極距離樣品約7厘米。樣品溫度控制在小于100℃。通過調(diào)節(jié)離子能量來控制量子點(diǎn)的尺寸。離子能量范圍在100-1500電子伏特，或根據(jù)實(shí)際需要而定。按照圖1的樣式，從左到右制備各量子點(diǎn)帶，即先用最低能量，制備最左邊的一條量子點(diǎn)帶，之后，向左移動(dòng)樣品1毫米，再適當(dāng)調(diào)節(jié)離子能量，制備第二條量子點(diǎn)帶，此過程繼續(xù)下去，直到完成最右邊那條量子點(diǎn)帶的制備。此時(shí)，GaAs膜厚已被“削”薄到0.1-0.3微米。
3.在第一層GaAs上，再鍍上厚為1微米的GaAs膜，之后繼續(xù)步驟2，如此循環(huán)，直到第5層GaAs形成如圖1所示的量子點(diǎn)列陣為止。
4.在第5層GaAs上，再鍍上厚為0.5微米的GaAs膜，以作為保護(hù)層。
5.在第6層GaAs上，覆蓋上p型GaAs。
6.在p型GaAs上，利用模板，鍍上SiO2作為上層電極的絕緣間隔。如圖4所示7.在p型GaAs上，利用和步驟6陰陽對稱的模板，鍍上Ni/Au作為上層電極。如圖5所示。
8.整塊材料在400℃下，空氣中快速加熱30秒，以形成透明的電極。
9.多層GaAs膜兩端拋光，形成諧振腔。
10.按圖1組裝成波長連續(xù)可調(diào)的多層量子點(diǎn)GaAs激光器。
權(quán)利要求
1.一種波長連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器，其特征在于由如下部分依次組合構(gòu)成底層電極、n型半導(dǎo)體、半導(dǎo)體激光材料、p型半導(dǎo)體、上層電極、劈型電極和電源，其中，夾在p型和n型半導(dǎo)體間的激光材料，其量子點(diǎn)具有受激發(fā)特性，材料表面具有多個(gè)平行的量子點(diǎn)帶，每個(gè)量子點(diǎn)帶內(nèi)的量子點(diǎn)尺寸相同，且分布均勻，而各帶間的量子點(diǎn)尺寸不同，并且從左到右，量子點(diǎn)尺寸呈連續(xù)單調(diào)變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于半導(dǎo)體激光材料表面的量子點(diǎn)帶為3-10個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所說的量子點(diǎn)帶的帶寬2-3毫米，帶長4-6毫米，帶之間的間距為0.8-1.2毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于說的半導(dǎo)體激光材料層數(shù)不超過10。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于上層電極由多個(gè)電極組成，每個(gè)量子點(diǎn)帶對應(yīng)一個(gè)電極；電極呈帶狀，其形狀同所對應(yīng)的量子點(diǎn)帶基本相同，位置處于該量子點(diǎn)帶的正上方；各電極間為電絕緣材料，間隙寬度大于劈形電極的寬度。
6.一種如權(quán)利要求1-5所述的波長連續(xù)可調(diào)的半導(dǎo)體激光器的制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)首先挑選半導(dǎo)體材料，其已知的量子點(diǎn)發(fā)光波長接近所需要的波長值；(2)在經(jīng)過摻雜的、表面平整的n形半導(dǎo)體上，鍍上一層厚約為1微米的、平整的半導(dǎo)體激光材料薄膜，采用聚焦離子束濺射制備自組織量子點(diǎn)列陣的方法，得到量子點(diǎn)帶；一層上量子點(diǎn)帶為3-10個(gè)；(3)在上述表面具有平行量子點(diǎn)帶的激光材料上，覆蓋一層經(jīng)過摻雜的p形半導(dǎo)體薄膜；(4)鍍上上層電極以及間隔的電絕緣材料，再鍍上連續(xù)分布的底層電極；(5)半導(dǎo)體膜材料兩端拋光，以形成諧振腔；(6)配上劈形電極和電源，裝配成激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于結(jié)合鍍膜技術(shù)，制備多層具有相同量子點(diǎn)帶的激光材料膜層，層數(shù)為10層以下。
全文摘要
本發(fā)明屬光子學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種波長連續(xù)可調(diào)的量子點(diǎn)半導(dǎo)體激光器及其制備方法。它通過聚焦離子束濺射制備自組織量子點(diǎn)列陣的方法，在半導(dǎo)體表面形成量子點(diǎn)尺寸沿一維方向連續(xù)變化的量子點(diǎn)列陣。再根據(jù)量子限域效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)光波長的連續(xù)可調(diào)諧。本發(fā)明將減少半導(dǎo)體激光器選材的工作量，并且精確地得到所需光波長，大大促進(jìn)光電器件、光子器件的開發(fā)。
文檔編號(hào)H01S5/34GK1424794SQ0311472
公開日2003年6月18日 申請日期2003年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月3日
發(fā)明者陸明 申請人:復(fù)旦大學(xué)