新型硅鐿量子面等離子體光源的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及半導體照明及納米光子材料與器件技術領域，尤其是一種新型硅鐿量子面等離子體光源。
【背景技術】
[0002]目前，我們正處于后信息時代，其特點是由電子信息階段過渡到光子信息階段，現在已經完成以光子為信息載體的轉換過程，如已經實現全光的光纖通信和光通信。當今的發展進入芯片上的光電子集成與芯片級的全光化，這是實現光量子信息處理和光量子信息計算的關鍵，而作出硅芯片上的用于光互聯的光源與傳播節點是一項瓶頸性的工作。硅芯片上的等離子體光源會開拓硅光互聯光源發展的一條新的途徑。另外，這種新型硅鐿量子面等離子體光源的實用新型對于推廣半導體照明具有重要的意義。
[0003]眾所周知，建立在硅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范圍的極限。科學家們試圖在硅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，實現信息時代革命性的跨越。這里，我們要解決幾個關鍵性的問題，一是在什么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)，但是硅材料有很好的基礎且屬于環保材料，所以最終選擇在硅基上建立光量子信息處理系統。二是需要改進硅材料的光學性質，我們知道單晶硅的間接帶隙結構致使硅材料的發光效率很低，而改進硅材料的光學性質的途徑主要是采用能帶工程，制備娃的低維納米結構獲取準直接帶隙結構，如納米娃、多孔娃、鍺娃應變層和納米氧化娃等材料。
[0004]令人振奮的是2000年L.Pavesi研究小組的工作實現了氧化娃中鑲嵌納米娃結構的光致發光的光學增益，這奠定了電栗浦和光栗浦全硅基相干光源的基礎。但是，歸納起來，國內外近十年的研究工作仍存在問題:在上述材料的制備中存在諸多的不足，如多孔硅不易保存、發光不穩定，納米硅和鍺硅應變層的制備成本高(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。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的是:提供一種新型硅鐿量子面等離子體光源，它解決了用低頻率栗浦高頻率發光的問題，提供了半導體照明的新光源和硅芯片光互聯的新光源，且易于產業化。
[0006]本實用新型是這樣實現的:新型硅鐿量子面等離子體光源，包括硅襯底，在硅襯底的上表面設有間隔分布的氧化硅薄膜，在每個氧化硅薄膜的頂面均設有一個形狀及大小對應的鐿薄膜，同一組氧化硅薄膜及鐿薄膜組成一組硅鐿量子面。
[0007]在娃襯底的上表面設有間隔分布的Purcell腔體陣列結構，在每一個Purcell腔體陣列結構內均設有一組由氧化硅薄膜及鐿薄膜組成的硅鐿量子面。
[0008]所述的Purce11腔體陣列結構中，？111^611腔體的直徑為5-5(^111，周期間隔為30-10um0
[0009]所述的氧化硅薄膜的厚度為3-10nm，鐿薄膜的厚度為10-50 nm。
[0010]由于采用了以上技術方案，本實用新型采用在硅襯底上形成硅鐿量子面等離子體光源結構，可以在低頻率栗浦光作用下發射較強的高頻率光子，其等離子體發光具有低頻率激發高頻率和球形發光的特征，實現了光栗浦在可見光區的等離子體強發光(外量子效率大于50%)和在1400nm到1600nm光通信波段的發光，其等離子體發光具有低頻率激發高頻率和球形發光的特征。本實用新型不同于半導體LED和LD光源的發光機理，具有全新的發光物理機理與模型，解決了用低頻率栗浦高頻率發光的問題，提供了半導體照明的新光源和硅芯片光互聯的新光源，可以有很好的新型硅鐿等離子體光源應用。本實用新型結構簡單，易于實施，成本低廉，使用效果好。
[0011]【附圖說明】，
[0012]圖1為本實用新型的結構不意圖；
[0013]圖2為本實用新型的發光光譜。
[0014]【具體實施方式】，
[0015]本實用新型的實施例1:新型硅鐿量子面等離子體光源如圖所示，如圖中，傾斜向下的箭頭表示栗浦光，豎直的箭頭表示等離子體發光，包括硅襯底I，在硅襯底I的上表面設有間隔分布的Purcel I腔體陣列結構，在每一個Purcel I腔體陣列結構內均設有一組由氧化娃薄膜2及鐿薄膜3組成的娃鐿量子面。所述的PurcelI腔體陣列結構中，Purcell腔體的直徑為I Oym，周期間隔為50μηι ；所述的氧化娃薄膜2的厚度為6nm，鐿薄膜3的厚度為15nm。
[0016]新型硅鐿量子面等離子體光源的制備方法，包括如下步驟
[0017]I)預處理:對單晶硅片進行P型摻雜，形成電阻率2?20 Ω.cm的硅片，用酒精和去離子水清潔表面，獲得硅襯底；
[0018]2)脈沖激光刻蝕:用LD栗浦的Nd: YAG固體激光器，采用聲光調Q獲取納秒脈沖激光;用KTP晶體實現角度匹配倍頻，在532nm波長激光束斑下調節基模出射，將匯聚透鏡放至合適位置，匯聚激光束斑到需要的線徑；調激光重復率至800?1200次/秒、脈寬60?100納秒，除掉倍頻鏡，在1064nm波長激光束下調節匯聚到硅表面上的功率密度至恰好產生白色等離子體輝光；將硅襯底固定于樣品臺上，通過三維微動定位系統對硅襯底實施精確到10nm的定位和掃描加工，在氬氣氛圍條件下，用60納秒脈寬的脈沖激光加工單晶硅片3秒鐘，再在氬氣氛圍中用100納秒脈寬的脈沖激光束照射單晶硅片8秒鐘，按要求尺度(直徑為
1微米、周期間隔為50微米)刻蝕出Pur Ce 11腔體陣列結構；
[0019]3)脈沖激光淀積:通過三維微動定位系統對PLE加工好的硅片實施精確到10nm的定位和掃描加工，在氬氣氛圍條件下，采用脈沖激光淀積，以波長為355nm、脈寬80?100納秒、重復率1000?2000次/秒的脈沖激光束作為PLD激光，在每個Purcell腔體內制備出一層厚度為6nm的氧化硅薄膜，在氧化硅薄膜的表面再制備出厚度為15nm的鐿薄膜，它們共同組成娃鐿量子面結構，形成娃鐿量子面等離子體光源結構；
[0020]4)高溫退火:將加工好的單晶硅片放入高溫退火爐，在氬氣氛圍中，保持1000°C尚溫快速退火，獲得成品。
[0021]將實施例制備獲得的產品進行檢測，檢測等離子體光源在可見光的發光光譜如圖2所示。根據圖2得知，該新型硅鐿量子面等離子體光源經實驗證明可作為白光照明光源，用3瓦激光源驅動的照明效果超過40瓦白熾燈。
[0022]本實用新型所述并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，本領域技術人員根據本實用新型的技術方案得出其他的實施方式，同樣屬于本實用新型的技術創新范圍。顯然本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求及其等同技術范圍內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。
【主權項】
1.一種新型硅鐿量子面等離子體光源，包括硅襯底(I)，其特征在于:在硅襯底(I)的上表面設有間隔分布的氧化硅薄膜(2)，在每個氧化硅薄膜(2)的頂面均設有一個形狀及大小對應的鐿薄膜(3)，同一組氧化硅薄膜(2)及鐿薄膜(3)組成一組硅鐿量子面。2.根據權利要求1所述的新型硅鐿量子面等離子體光源，其特征在于:在硅襯底(I)的上表面設有間隔分布的Purcel I腔體陣列結構，在每一個Purcel I腔體陣列結構內均設有一組由氧化硅薄膜(2)及鐿薄膜(3)組成的硅鐿量子面。3.根據權利要求2所述的新型硅鐿量子面等離子體光源，其特征在于:所述的PurcelI腔體陣列結構中，Purcell腔體的直徑為5-50μπι，周期間隔為30-100μπι。4.根據權利要求1或2所述的新型硅鐿量子面等離子體光源，其特征在于:所述的氧化硅薄膜(2)的厚度為3-10 nm，鐿薄膜(3)的厚度為10-50 nm。
【專利摘要】本實用新型提供了一種新型硅鐿量子面等離子體光源。本實用新型采用在硅襯底上形成硅鐿量子面等離子體光源結構，可以在低頻率泵浦光作用下發射較強的高頻率光子，其等離子體發光具有低頻率激發高頻率和球形發光的特征，實現了光泵浦在可見光區的等離子體強發光（外量子效率大于50%）和在1400nm到1600nm光通信波段的發光，其等離子體發光具有低頻率激發高頻率和球形發光的特征。本實用新型不同于半導體LED和LD光源的發光機理，具有全新的發光物理機理與模型，解決了用低頻率泵浦高頻率發光的問題，提供了半導體照明的新光源和硅芯片光互聯的新光源，可以有很好的新型硅鐿等離子體光源應用。
【IPC分類】H01J65/04, H01J9/00
【公開號】CN205231018
【申請號】CN201520630522
【發明人】黃偉其
【申請人】貴州大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年8月20日