CN104092097A - 一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，所述ZnO量子阱微腔结构以介质膜为分布布拉格反射镜结构下层，以ZnO/ZnMgO量子阱为有源层，以氮化物为分布布拉格反射镜结构上层。本发明实现了在室温条件下的超低阈值激子极化激元激光。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件。
背景技术
半导体及其光子微腔结构中极化激元（polariton）的自发相干一直是凝聚态物理领域的研究热点。早期人们对激子极化激元的研究主要集中在半导体体材料，薄膜，量子阱、量子线等低维材料。但是，由于这些体系都是单纯的增益介质，光场无法得到有效的限制，激子和光子的耦合效率低，导致激子极化激元激光的研究没有较大的进展。
1992年，Claude Weisbuch等人把半导体平板微腔引入激子极化激元的研究。由于微腔的引入，光场被有效地限制在介质体系中，激子和光场的耦合效率显著提高，激子-光学模式能级的反交叉在试验中被观测到。在这个器件中，利用GaAlAs/AlAs分布式布拉格反射镜(DBR)做为F-P平板腔的上下高反射镜，中间用GaAs量子阱为增益介质。利用反射谱观测到激子和光场共振时所表现出来的激子极化激元的能级反交叉现象。因为在平板微腔中激子极化激元的波矢在垂直于量子阱方向是受限的，k在垂直方向只能取某些特定值，而在平行于量子阱的二维面内，激子极化激元在平面内的波矢k可以取任意值，这样激子极化激元的本征频率和平面内平行的波矢k就构成相应的色散关系，被称作做腔激子极化激元面内色散。由此人们就可以通过角分辨光致发光谱来研究腔激子极化激元。由于激子极化激元的具有波色子特性，Imamoglu 等人第一次提出激子极化激元的波色子特性可以发生波色-爱因斯坦凝聚，得到相干性很好的激光。这种激光器的阈值比传统的激光器的更低。2006年，关于激子极化激元发生波色-爱因斯坦凝聚的现象在CdTe微腔中得到全面的证实。
由于激子极化激元具有以上这些优异的特性，极化激元光子器件已经成为目前物理学及光电子学领域的前沿和研究热点。为了满足实际应用的需要，目前人们主要致力以下两方面研究：一是如何提高激子极化激元的稳定性，克服室温热能的激活以及高密度条件下激子极化激元之间的相互碰撞离化，保证室温条件下器件能够稳定的工作，二是实现电泵浦的激子极化激元LED以及激光器件。但是传统的GaAs系列材料激子束缚能比较小（典型值16meV）远低于室温激活能（26meV），激子不能在室温下存在，所以人们考虑激子束缚能和激子振子强度更大的宽带隙材料，如GaN，ZnO等。S. Christopoulos等人在GaN微腔中观察到室温下的激子极化激元的受激发射。Ayan Das等人在GaN纳米线结构中实现了室温下激子极化激元受激发射。虽然国际上这些研究小组已经在GaN材料中观察到了光学泵浦的激子极化激元受激发射。然而在实现GaN材料电注入的激子极化激元受激发射方面研究仍然没有取得实质性进展。目前GaN材料激子极化激元电注入激光的难点是高电流注入高密度的激子极化激元的稳定性。
ZnO体材料同GaN体材料相比具有更大的激子束缚能（60meV）（E GaN=25meV），振子强度更强，光学增益特性更好。有望实现室温条件下光泵浦和电泵浦的激子极化激元激光。
近年来关于ZnO材料的激子极化激元研究也引起了人们的重视。M. Zamfirescu 模拟利用ZnO体材料作为微腔，ZnO/Mg0.3Zn0.7O作为上下层的DBRs结构，得出该结构的拉比能量为120meV，室温下的激子极化激元的受激发射阈值为2mW。H. Morko研究组在ZnO微腔结构中观察到了微腔中的激子极化激元的腔模式和激子的能量反交叉行为。接下来法国和德国的研究小组分别在120K和250K的情况下在ZnO体材料微腔中得到了ZnO激子极化激元的受激发射。上海复旦大学沈学础院士的研究组针对ZnO纳米结构进行了ZnO激子极化激元的相关的研究工作，在ZnO回音壁微腔结构中，观察到了激子极化激元的色散，室温下激子极化激元的激射等现象，为研究室温下激子极化激元器件另辟蹊径。在接下来的一段时间中也有关于ZnO纳米结构中激子极化激元的研究，但是在激光器件方面都没有取得实质性的进展。在体材料微腔中实现激子极化激元激光是至关重要的，更有利于器件的实用化。但是目前在ZnO量子阱中还没有关于室温下激子极化激元激光的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，实现室温条件下的超低阈值激子极化激元激光。
本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：
一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，所述ZnO量子阱微腔结构以介质膜为分布布拉格反射镜结构下层，以ZnO/ZnMgO量子阱为有源层，以氮化物为分布布拉格反射镜结构上层。利用ZnO量子阱作为激子极化激元器件的微腔结构，由于量子阱的量子限域效应，利用其低维结构对激子波函数的空间压缩，可以提高激子跃迁强度，增加激子发射的热稳定性，能够进一步提高器件的性能。
在体材料微腔中实现激子极化激元激光是至关重要的，更有利于器件的实用化。但是目前在ZnO体材料微腔中还没有关于室温下激子极化激元激光的报道。国际上关于ZnO激子极化激元的研究主要集中于ZnO体材料方面。从半导体能带工程角度来看，半导体量子阱结构要比常规的体材料的激子束缚能要高4.5倍。其物理机制由于量子阱结构将载流子有效的限制而在二维空间，使阱层中载流子波函数有效交叠，从而提高了激子束缚能。利用ZnO量子阱作为激子极化激元器件的微腔结构，由于量子阱的量子限域效应，利用其低维结构对激子波函数的空间压缩，可以提高激子跃迁强度，增加激子发射的热稳定性，能够进一步提高器件的性能。量子阱微腔还可以通过调节腔长来实现激子-光子耦合强度的调节，从而更有利于在该结构中实现室温下的激子极化激元激光。但是目前还没有关于这方面的研究报导。在国内外首次提出采用ZnO/ZnMgO量子阱为激子极化激元器件的有源层。使ZnO激子束缚能增加，进而提高微腔中激子极化激元的稳定性，从而实现室温条件下的激子极化激元激光。
进一步地，所述ZnO量子阱微腔结构以多层Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层为下层，以ZnO/Zn1-xMgxO单量子阱为有源层，以多层SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层为上层,所述x为0~0.3、y为0~1。本发明使微腔单一光学模式的电场轴向分布的峰值与ZnO/ZnMgO量子阱中ZnO阱层相一致，以产生高效的激子-光子耦合。以AlGaN 分布布拉格反射镜为所述ZnO量子阱微腔结构的下层，能够保证ZnO、ZnMgO高的光学质量，因为AlGaN系列材料晶体结构与ZnO系列材料相匹配，从而在外延生长过程中更容易获得高质量的ZnO/ZnMgO量子阱有源层。
优选地，所述X=0.25，所述Y=0.8。
进一步地，所述Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层中Al1-yGayN层厚度为38~41nm，AlyGa1-yN层厚度为 44~47 nm。所述厚度的设计的有益效果有：（1）提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡，即共振腔作用；（2）对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。共振腔作用，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用（2），则是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。
所述有源层中阱层ZnO厚度为4~8nm，势垒层Mg0.25Zn0.75O厚度为35~45nm。有源层厚度只在平均自由程内，阱壁起到很好的限制作用，使阱中载流子只在平行于阱壁的平面内有二维自由度。势阱宽度通常小于电子和空穴的扩散长度，电子和空穴还未来得及扩散就被势垒限制在势阱层中，产生很高的注入效率，易于实现粒子数反转，其增益大大提高。
所述SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层中SiO2层厚度为40~50nm，Si3N4层厚度为60~70nm。
更进一步地，所述Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层中Al1-yGayN层折射率为2.08~2.47，AlyGa1-yN层折射率为 2.08~2.47。
所述有源层中阱层ZnO折射率为2.3~2.5，势垒层Mg0.25Zn0.75O折射率为2.2~2.4。
所述SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层中SiO2层折射率为2.0~2.1，Si3N4层折射率为1.4~1.5。
本发明采用金属有机化学气相沉积法外延30~100周期的Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层，在Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层上用脉冲激光沉积法生长ZnO/Zn1-xMgxO单量子阱，在ZnO/Zn1-xMgxO单量子阱上用等离子体增强化学气相沉积法生长10~30周期的SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层。为了保证ZnO、ZnMgO高的光学质量,我们选用AlGaN DBR作为微腔结构的下层DBR反射镜。原因是AlGaN系列材料晶体结构与ZnO系列材料相匹配，从而在外延生长过程中更容易获得高质量的ZnO/ZnMgO量子阱有源层。针对高Mg组分的ZnMgO DBR 难以获得的问题，提出利用氮化物DBR与介质膜DBR相结合实现微腔结构。采用FDTD模拟和实验相结合的方法，优化微腔结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
采用ZnO/ZnMgO量子阱为激子极化激元器件的有源层，使ZnO激子束缚能增加，进而提高微腔中激子极化激元的稳定性，从而实现室温条件下的激子极化激元激光。本发明使微腔单一光学模式的电场轴向分布的峰值ZnO/ZnMgO量子阱中ZnO阱层相一致，以产生高效的激子-光子耦合；
附图说明
图1为ZnO量子阱微腔结构示意图；其中，1、ZnO；2、ZnO/Zn0.75Mg0.25O；3、Al0.2Ga0.8N/Al0.8Ga0.2N分布布拉格反射镜结构层；4、SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层；5、蓝宝石衬底；
图2为图1中SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层的投射光谱图；
图3为图1中Al0.2Ga0.8N/Al0.8Ga0.2N分布布拉格反射镜结构层的投射光谱图；
图4为实施例1中器件的光场分布Ey(Z)示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
实施例1
如图1，利用时域有限差分方法（FDTD）模拟器件结构，（a）为一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，以蓝宝石为衬底5，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延30周期的高Al组分的Al0.2Ga0.8N/Al0.8Ga0.2N分布布拉格反射镜结构层3， 其厚度分别是39.3nm 和45.8 nm，其折射率分别为2.45和2.1。
进一步地，用脉冲激光沉积法（PLD）生长ZnO/Zn0.75Mg0.25O量子阱，量子阱采用 Mg0.25Zn0.75O/ZnO/Mg0.25Zn0.75O单量子阱。Mg0.25Zn0.75O折射率为2.3，ZnO 的折射率为2.4。量子阱结构中阱层1 ZnO厚度为6nm，势垒层2 Mg0.25Zn0.75O厚度为40nm。
更进一步地，用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制备11周期的SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层4，其厚度分别为45nm和65 nm；其折射率分别为 2.05和1.45。
图1中（b）为（a）对应的光场分布，图（b）该器件结构的光场分布与ZnMgO量子阱的发光峰位是一致的。
图2为图1中11周期的SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层的透射光谱，厚度分别为45nm和65 nm，采用的折射率分别为 2.05和1.45，如图2，在340nm到420nm处透射率几乎为零，图3为模拟的30周期的Al0.2Ga0.8N/Al0.8Ga0.2N分布布拉格反射镜结构层的透射光谱，其厚度分别是39.3nm 和45.8 nm，其折射率分别为2.45和2.1。从图中可以看出该结构对360-400nm的光接近全反射，符合DBR的设计要求。这一结构可以将380nm附近的发光完成高效的反射，更有利于实现激子-光子耦合。
本发明使微腔单一光学模式的电场轴向分布的峰值与ZnO/ZnMgO量子阱中ZnO阱层相一致，以产生高效的激子-光子耦合。
如图4为实施例1模拟的激子极化激元激光器件的光场分布Ey(Z)，从图4可知，设计的单一激光模式位于378 nm，可以与ZnO中位于375nm的激子峰产生有效的激子-光子耦合，进而实现激子极化激元。有望在该结构中观察到基于玻色-爱因斯坦凝聚机理的极低阈值激子极化激元激光。
Claims (10)
1.一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述ZnO量子阱微腔结构以介质膜为分布布拉格反射镜结构下层，以ZnO/ZnMgO量子阱为有源层，以氮化物为分布布拉格反射镜结构上层。
2.根据权利要求1所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述ZnO量子阱微腔结构以多层Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层为下层，以ZnO/Zn1-xMgxO单量子阱为有源层，以多层SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层为上层,所述x为0~0.3，所述y为0~1。
3.根据权利要求2所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述x=0.25，所述y=0.8。
4.根据权利要求2所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层中Al1-yGayN层厚度为38~41nm，AlyGa1-yN层厚度为 44~47 nm。
5.根据权利要求2所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述有源层中阱层ZnO厚度为4~8nm，势垒层Mg0.25Zn0.75O厚度为35~45nm。
6.根据权利要求2所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层中SiO2层厚度为40~50nm，Si3N4层厚度为60~70nm。
7.根据权利要求2所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层中Al1-yGayN层折射率为2.08~2.47，AlyGa1-yN层折射率为 2.08~2.47。
8.根据权利要求2所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述有源层中阱层ZnO折射率为2.3~3.52.3-2.5，势垒层Mg0.25Zn0.75O折射率为2.2~2.4。
9.根据权利要求2所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，所述SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层中SiO2层折射率为2.0~2.1，Si3N4层折射率为1.40~1.50。
10.根据权利要求1~9任一项所述的一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，其特征在于，采用金属有机化学气相沉积法外延30~100周期的Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层，在Al1-yGayN/AlyGa1-yN分布布拉格反射镜结构层上用脉冲激光沉积法生长ZnO/Zn1-xMgxO单量子阱，在ZnO/Zn1-xMgxO单量子阱上用等离子体增强化学气相沉积法生长10~30周期的SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜结构层。
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