CN103022899A - 一种电流泵浦产生表面等离激元激光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，包括：采用平板半导体工艺，以GaAs/AlGaAs等材料制作异质结，产生二维电子气；在半导体表面以金、银、铜、铝等材质制备金属纳米波导为表面等离激元光学微腔；在微腔附近制作金属电极，通电后形成半导体双量子点；调整各金属电极上的电压可以控制半导体双量子点内部结构，从而使得流过半导体双量子点的电流能在波导微腔中泵浦产生表面等离激元光子。本发明实现的表面等离激元激光产生办法能通过电流探测表面等离激元激光态，具有探测方便、器件形貌简单、结构紧凑、易与外部电路集成等特点。

Description

一种电流泵浦产生表面等离激元激光的方法
技术领域
本发明涉及表面等离激元光子学与纳电子学的交叉应用领域，更具体地说，本发明涉及一种半导体双量子点电流泵浦产生表面等离激元激光的方法。
背景技术
表面等离激元是导体表面源于自由电子集体振荡的电荷密度波与其电磁模联合形成的一种传播激发子。
近十年来的研究表明，利用金属纳米结构中表面等离激元所具有的独特光学特性能够提高近场显微镜的分辨率，提升发光二极管的效率，以及在纳米尺度实现电磁场的调控、实现隐身等；并在包括数据存储、非线性光学、亚波长结构波导、太阳能电池等应用研究领域提供了新的机遇。
同时，表面等离激元为发展新型光子器件、宽带通讯系统、尺度极小的微小光子回路、新型光学传感器和测量技术提供了可能。
为了能够将等离激元的基础研究成果运用到实现中，人们需要研制出传播损耗可以与传统的波导相比拟的亚波长尺寸的金属线回路；研发基于表面等离激元的电光、全光和压电调制器；研发深亚波长的纳米光刻蚀术等。
纳米尺度的表面等离激元激光器可以获得远远小于衍射极限的光学模式。通过改变金属表面结构，改变面等离激元的性质，特别是与光的相互作用机制也将随之变化。这种表面等离激元激光器为探索光与物质极限相互作用提供了可能，也为表面等离激元众多应用提供了高性能的相干光源。因此，高效表面等离激元光源开发是表面等离激元光子学众多应用的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用流过半导体双量子点的电流来泵浦产生表面等离激元激光的方法，并且该方法使人们能通过电流谱来探测表面等离激元激发态。
为了实现上述技术目的，根据本发明的第一方面，提供了一种电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，包括：
第一步骤，用于制备半导体异质结，并且在离该半导体异质结表面约1-100nm处形成二维电子气；
第二步骤，用于在半导体异质结表面制作纳米金属波导，所述纳米金属波导将作为泵浦产生表面等离激元光子的光学微腔；
第三步骤，用于在离表面等离激元波导平面距离1-100nm处制作半导体双量子点结构。
优选地，在第三步骤中，在离表面等离激元波导平面距离1-100nm处制作控制量子点形状和内部能级间隔大小的金属电极，并且对金属电极通电后从而在半导体二维电子气中形成了双量子点结构。
优选地，所述电流泵浦产生表面等离激元激光的方法还包括：第四步骤，用于使形成半导体双量子点结构的金属电极连接外部电路。
优选地，半导体异质结为以GaAs/AlGaA异质结。
优选地，二维电子气的电子迁移率为5×105cm2V-1s-1，电子密度为1×1011cm-2。
优选地，在第二步骤中利用平板工艺技术制作纳米金属波导。
优选地，第二步骤中表面等离激元光学微腔为金、银、铜或铝材质的金属纳米波导。
优选地，表面等离激元波导与半导体之间设置了1-100nm厚的介质层。
本发明制作隧穿耦合双量子点和由金属制成的表面等离激元波导光学微腔，实现了半导体双量子点电流泵浦产生表面等离激元激光。基于本发明的表面等离激元激光产生办法能通过电流探测表面等离激元激光态，具有探测方便、器件形貌简单、结构紧凑、易与外部电路集成等特点。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法的流程图。
图2示意性地示出了根据本发明实施例的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法的示意图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
本发明利用表面等离激元的亚波长局域特性实现表面等离激元波导微腔与半导体双量子点耦合，通过调整半导体双量子点内部结构，从而使得流过半导体双量子点的电流能在波导微腔中泵浦产生表面等离激元光子。
具体地说，图1示意性地示出了根据本发明实施例的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法的流程图。
更具体地说，如图1所示，根据本发明实施例的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法包括：
第一步骤S1，用于制备半导体异质结，并且在离该半导体异质结表面约1-100nm处形成二维电子气。例如，在具体实施例中，半导体异质结为以GaAs/AlGaA异质结。而且，例如，在半导体异质结为以GaAs/AlGaA异质结的情况下，该二维电子气的电子迁移率大约为5×105cm2V-1s-1，电子密度大约为1×1011cm-2。
第二步骤S2，用于在半导体异质结表面制作纳米金属波导，该纳米金属波导将作为泵浦产生表面等离激元光子的光学微腔。例如，优选地，可利用平板工艺技术制作纳米金属波导。
第三步骤S3，用于在离表面等离激元波导平面距离1-100nm处制作半导体双量子点结构。
具体地说，在具体实施例中，在第三步骤S3中，可以在离表面等离激元波导平面距离1-100nm处制作控制量子点形状和内部能级间隔大小的金属电极，并且对金属电极通电后从而在半导体二维电子气中形成了双量子点结构。
也就是说，可以在半导体表面制作用于控制量子点形状和内部能级间隔大小等性质的金属电极，这些金属电极通电后就在半导体二维电子气中形成了双量子点。
第四步骤S4，用于使形成半导体双量子点结构的金属电极连接外部电路，由此整个系统形成一个半导体芯片。
其中，进一步，在具体实施例中，第二步骤S2中表面等离激元光学微腔优选地为金、银、铜、铝等材质的金属纳米波导。
进一步，在具体实施例中，表面等离激元波导与半导体之间可视具体情况设置1-100nm厚的介质层。
具体地说，图2示意性地示出了根据本发明实施例的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法的示意图。其中，参考标号1表示金属电极AG，参考标号2表示金属电极BG，参考标号3表示金属电极CG，参考标号4表示半导体量子点A，参考标号5表示半导体量子点B，参考标号6表示表面等离激元波导微腔。
图2中带有箭头的曲线为电流，箭头代表流向。注意，图2中金属电极的形状只做参考。
例如，参考图2，具体示例中，采用平板半导体工艺，以GaAs/AlGaAs等材料制作异质结，产生二维电子气。在半导体表面以金、银、铜、铝等材质制备金属纳米波导结构，用作表面等离激元光学微腔。在金属纳米波导结构附近制作金属电极，通电后形成半导体双量子点结构。调整金属电极AG、BG、CG上的电压使得双量子点内只有两个单电子态在导电偏压窗口内。并且，调整金属电极CG上的电压可以控制控制ε、τ以及
Figure BDA00002610788700051
的大小，进而控制频率失谐值Δ＝ω0-ωsp。为提高效率，调整表面等离激元金属纳米波导结构与量子点间的距离，使其耦合强度达到最强。
由此，在本发明中，泵浦源是流过由半导体异质结形成的双量子点的电流，而其附近的金属纳米波导作为表面等离激元光学微腔。双量子点由外加电压偏置，在其内部形成三个电荷态，分别为作为基准的空电子态(即两个量子点中激发电子数均为零)和两个单电子态(即双量子点系统中只有一个激发电子，居于上或下边量子点中)。两个单电子态能极差为ε，两量子点通过耦合强度为τ的点间相干隧穿机制耦合。因此，双量子点系统电子本征态能极差为
Figure BDA00002610788700052
金属纳米波导微腔可以支持表面等离激元模式，频率为ωsp。表面等离激元微腔与两个量子点电容性耦合，耦合强度因距离不同而不同。通过调整金属电极上的电压可以控制ε、τ以及的大小，进而控制频率失谐值Δ＝ω0-ωsp。要实现激光产生，Δ值必须要很小。双量子点内部只有两个单电子态在两导电极上的偏置电压窗口内，电子依次隧穿经过两个量子点和两导电极构成导电电流，形成空电子态→单电子态1→单电子态2→空电子态的非平衡态变化。泵浦电流使得在两单电子态间形成粒子数反转，与双量子点耦合的波导微腔内由于强耦合作用激发出表面等离激元光子。在双量子点电流I-ε谱中有两个共振峰，其中非常窄的共振峰就是由于激发表面等离激元光子而形成的，可以作为产生等离激元光子的表征。
综上所述，本发明上述实施例公开了一种基于半导体双量子点电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其中采用平板半导体工艺，以GaAs/AlGaAs等材料制作异质结，产生二维电子气；在半导体表面以金、银、铜、铝等材质制备金属纳米波导为表面等离激元光学微腔；在微腔附近制作金属电极，通电后形成半导体双量子点；调整各金属电极上的电压可以控制半导体双量子点内部结构，从而使得流过半导体双量子点的电流能在波导微腔中泵浦产生表面等离激元光子。
由此，本发明上述实施例采用平板半导体工艺制作隧穿耦合双量子点和由金属制成的表面等离激元波导光学微腔，实现半导体双量子点电流泵浦产生表面等离激元激光。基于本发明的表面等离激元激光产生办法能通过电流探测表面等离激元激光态，具有探测方便、器件形貌简单、结构紧凑、易与外部电路集成等特点。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其特征在于包括：
第一步骤，用于制备半导体异质结，并且在离该半导体异质结表面约1-100nm处形成二维电子气；
第二步骤，用于在半导体异质结表面制作纳米金属波导，所述纳米金属波导将作为泵浦产生表面等离激元光子的光学微腔；
第三步骤，用于在离表面等离激元波导平面距离1-100nm处制作半导体双量子点结构。
2.根据权利要求1所述的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其特征在于，在第三步骤中，在离表面等离激元波导平面距离1-100nm处制作控制量子点形状和内部能级间隔大小的金属电极，并且对金属电极通电后从而在半导体二维电子气中形成了双量子点结构。
3.根据权利要求1或2所述的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其特征在于还包括：第四步骤，用于使形成半导体双量子点结构的金属电极连接外部电路。
4.根据权利要求1或2所述的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其特征在于，半导体异质结为以GaAs/AlGaA异质结。
5.根据权利要求1或2所述的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其特征在于，二维电子气的电子迁移率为5×105cm2V-1s-1，电子密度为1×1011cm-2。
6.根据权利要求1或2所述的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其特征在于，在第二步骤中利用平板工艺技术制作纳米金属波导。
7.根据权利要求1或2所述的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其特征在于，第二步骤中表面等离激元光学微腔为金、银、铜或铝材质的金属纳米波导。
8.根据权利要求1或2所述的电流泵浦产生表面等离激元激光的方法，其特征在于，表面等离激元波导与半导体之间设置了1-100nm厚的介质层。
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