CN105206502A - 新型硅镱量子面等离子体光源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型硅镱量子面等离子体光源及其制备方法。本发明采用在硅衬底上形成硅镱量子面等离子体光源结构，可以在低频率泵浦光作用下发射较强的高频率光子，其等离子体发光具有低频率激发高频率和球形发光的特征，实现了光泵浦在可见光区的等离子体强发光（外量子效率大于50%）和在1400nm到1600nm光通信波段的发光，其等离子体发光具有低频率激发高频率和球形发光的特征。本发明不同于半导体LED和LD光源的发光机理，具有全新的发光物理机理与模型，并采用了新的PLE-PLD复合纳米制备方法及技术；解决了用低频率泵浦高频率发光的问题，提供了半导体照明的新光源和硅芯片光互联的新光源，可以有很好的新型硅镱等离子体光源应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明及纳米光子材料与器件技术领域，尤其是一种新型硅镱量子面等离子体光源及其制备方法。
背景技术
目前，我们正处于后信息时代，其特点是由电子信息阶段过渡到光子信息阶段，现在已经完成以光子为信息载体的转换过程，如已经实现全光的光纤通信和光通信。当今的发展进入芯片上的光电子集成与芯片级的全光化，这是实现光量子信息处理和光量子信息计算的关键，而作出硅芯片上的用于光互联的光源与传播节点是一项瓶颈性的工作。硅芯片上的等离子体光源会开拓硅光互联光源发展的一条新的途径。另外，这种新型硅镱量子面等离子体光源的发明对于推广半导体照明具有重要的意义。
众所周知，建立在硅基上的微电子信息产业高度发达，但是受尺寸与功耗的限制，摩尔定律已经到了适用范围的极限。科学家们试图在硅基上建立起全新的光量子信息处理系统，取代现在的微电子信息系统，实现信息时代革命性的跨越。这里，我们要解决几个关键性的问题，一是在什么材料上建立光量子信息处理系统，有些材料特别是半导体材料的光学性质很好（例如砷化镓半导体材料），但是硅材料有很好的基础且属于环保材料，所以最终选择在硅基上建立光量子信息处理系统。二是需要改进硅材料的光学性质，我们知道单晶硅的间接带隙结构致使硅材料的发光效率很低，而改进硅材料的光学性质的途径主要是采用能带工程，制备硅的低维纳米结构获取准直接带隙结构，如纳米硅、多孔硅、锗硅应变层和纳米氧化硅等材料。
令人振奋的是2000年L.Pavesi研究小组的工作实现了氧化硅中镶嵌纳米硅结构的光致发光的光学增益，这奠定了电泵浦和光泵浦全硅基相干光源的基础。但是，归纳起来，国内外近十年的研究工作仍存在问题：在上述材料的制备中存在诸多的不足，如多孔硅不易保存、发光不稳定，纳米硅和锗硅应变层的制备成本高（传统的分子束外延（MBE）方法和化学气相沉积（CVD）方法）、不易产业化等。
发明内容
本发明的目的是：提供一种新型硅镱量子面等离子体光源及其制备方法，它解决了用低频率泵浦高频率发光的问题，提供了半导体照明的新光源和硅芯片光互联的新光源，且易于产业化。
本发明是这样实现的：新型硅镱量子面等离子体光源，包括硅衬底，在硅衬底的上表面设有间隔分布的氧化硅薄膜，在每个氧化硅薄膜的顶面均设有一个形状及大小对应的镱薄膜，同一组氧化硅薄膜及镱薄膜组成一组硅镱量子面。
在硅衬底的上表面设有间隔分布的Purcell腔体阵列结构，在每一个Purcell腔体阵列结构内均设有一组由氧化硅薄膜及镱薄膜组成的硅镱量子面。
所述的Purcell腔体阵列结构中，Purcell腔体的直径为5-50μm，周期间隔为30-100μm。
所述的氧化硅薄膜的厚度为3–10nm，镱薄膜的厚度为10–50nm。
新型硅镱量子面等离子体光源的制备方法，包括如下步骤
1）预处理：对单晶硅片进行P型掺杂，形成电阻率2～20Ω·cm的硅片，用酒精和去离子水清洁表面，获得硅衬底；
2）脉冲激光淀积：在步骤1）获得的硅衬底表面采用脉冲激光淀积法，在惰性气体保护环境下制备氧化硅薄膜及镱薄膜，形成硅镱量子面等离子体光源结构，获得将加工好的单晶硅片；
3）高温退火：将加工好的单晶硅片放入高温退火炉，在氩气氛围中，保持1000℃高温快速退火，获得成品。
在进行步骤2）的脉冲激光淀积前，先采用脉冲激光刻蚀法，在硅衬底的上表面刻蚀出Purcell腔体阵列结构；然后再采用脉冲激光淀积法，在每个Purcell腔体内制备氧化硅薄膜及镱薄膜，形成硅镱量子面等离子体光源结构。
所述的脉冲激光淀积法中，脉冲激光的波长为355nm、脉宽80～100纳秒、重复率1000～2000次/秒。
所述的脉冲激光刻蚀法中，脉冲激光的的波长为1064nm、脉宽60～100纳秒、重复率800～1200次/秒。
由于采用了以上技术方案，本发明采用在硅衬底上形成硅镱量子面等离子体光源结构，可以在低频率泵浦光作用下发射较强的高频率光子，其等离子体发光具有低频率激发高频率和球形发光的特征，实现了光泵浦在可见光区的等离子体强发光（外量子效率大于50%）和在1400nm到1600nm光通信波段的发光，其等离子体发光具有低频率激发高频率和球形发光的特征。本发明不同于半导体LED和LD光源的发光机理，具有全新的发光物理机理与模型，并采用了新的PLE-PLD复合纳米制备方法及技术；解决了用低频率泵浦高频率发光的问题，提供了半导体照明的新光源和硅芯片光互联的新光源，可以有很好的新型硅镱等离子体光源应用。本发明结构简单，易于实施，成本低廉，使用效果好。
附图说明，
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的检测球形发光效果；
图3为本发明的检测等离子体光源在可见光的发光光谱。
具体实施方式，
本发明的实施例1：新型硅镱量子面等离子体光源如图所示，如图中，倾斜向下的箭头表示泵浦光，竖直的箭头表示等离子体发光，包括硅衬底1，在硅衬底1的上表面设有间隔分布的Purcell腔体阵列结构，在每一个Purcell腔体阵列结构内均设有一组由氧化硅薄膜2及镱薄膜3组成的硅镱量子面。所述的Purcell腔体阵列结构中，Purcell腔体的直径为10μm，周期间隔为50μm；所述的氧化硅薄膜2的厚度为6nm，镱薄膜3的厚度为15nm。
新型硅镱量子面等离子体光源的制备方法，包括如下步骤
1）预处理：对单晶硅片进行P型掺杂，形成电阻率2～20Ω·cm的硅片，用酒精和去离子水清洁表面，获得硅衬底；
2）脉冲激光刻蚀：用LD泵浦的Nd:YAG固体激光器，采用声光调Q获取纳秒脉冲激光；用KTP晶体实现角度匹配倍频，在532nm波长激光束斑下调节基模出射，将汇聚透镜放至合适位置，汇聚激光束斑到需要的线径；调激光重复率至800～1200次/秒、脉宽60～100纳秒，除掉倍频镜，在1064nm波长激光束下调节汇聚到硅表面上的功率密度至恰好产生白色等离子体辉光；将硅衬底固定于样品台上，通过三维微动定位系统对硅衬底实施精确到100nm的定位和扫描加工，在氩气氛围条件下，用60纳秒脉宽的脉冲激光加工单晶硅片3秒钟，再在氩气氛围中用100纳秒脉宽的脉冲激光束照射单晶硅片8秒钟，按要求尺度（直径为10微米、周期间隔为50微米）刻蚀出Purcell腔体阵列结构；
3）脉冲激光淀积：通过三维微动定位系统对PLE加工好的硅片实施精确到100nm的定位和扫描加工，在氩气氛围条件下，采用脉冲激光淀积，以波长为355nm、脉宽80～100纳秒、重复率1000～2000次/秒的脉冲激光束作为PLD激光，在每个Purcell腔体内制备出一层厚度为6nm的氧化硅薄膜，在氧化硅薄膜的表面再制备出厚度为15nm的镱薄膜，它们共同组成硅镱量子面结构，形成硅镱量子面等离子体光源结构；
4）高温退火：将加工好的单晶硅片放入高温退火炉，在氩气氛围中，保持1000℃高温快速退火，获得成品。
将实施例制备获得的产品进行检测，检测球形发光效果如图2所示，其中的（a）图显示为532nm波长激光驱动的等离子体光源球形发光，（b）图显示为1064nm波长激光驱动的等离子体光源球形发光；检测等离子体光源在可见光的发光光谱如图3）所示。根据图2和图3得知，该新型硅镱量子面等离子体光源经实验证明可作为白光照明光源，用3瓦激光源驱动的照明效果超过40瓦白炽灯。
本发明所述并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种新型硅镱量子面等离子体光源，包括硅衬底（1），其特征在于：在硅衬底（1）的上表面设有间隔分布的氧化硅薄膜（2），在每个氧化硅薄膜（2）的顶面均设有一个形状及大小对应的镱薄膜（3），同一组氧化硅薄膜（2）及镱薄膜（3）组成一组硅镱量子面。
2.根据权利要求1所述的新型硅镱量子面等离子体光源，其特征在于：在硅衬底（1）的上表面设有间隔分布的Purcell腔体阵列结构，在每一个Purcell腔体阵列结构内均设有一组由氧化硅薄膜（2）及镱薄膜（3）组成的硅镱量子面。
3.根据权利要求2所述的新型硅镱量子面等离子体光源，其特征在于：所述的Purcell腔体阵列结构中，Purcell腔体的直径为5-50μm，周期间隔为30-100μm。
4.根据权利要求1或2所述的新型硅镱量子面等离子体光源，其特征在于：所述的氧化硅薄膜（2）的厚度为3–10nm，镱薄膜（3）的厚度为10–50nm。
5.一种如权利要求1所述的新型硅镱量子面等离子体光源的制备方法，其特征在于：包括如下步骤
1）预处理：对单晶硅片进行P型掺杂，形成电阻率2～20Ω·cm的硅片，用酒精和去离子水清洁表面，获得硅衬底；
2）脉冲激光淀积：在步骤1）获得的硅衬底表面采用脉冲激光淀积法，在惰性气体保护环境下制备氧化硅薄膜及镱薄膜，形成硅镱量子面等离子体光源结构，获得将加工好的单晶硅片；
3）高温退火：将加工好的单晶硅片放入高温退火炉，在氩气氛围中，保持1000℃高温快速退火，获得成品。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：在进行步骤2）的脉冲激光淀积前，先采用脉冲激光刻蚀法，在硅衬底的上表面刻蚀出Purcell腔体阵列结构；然后再采用脉冲激光淀积法，在每个Purcell腔体内制备氧化硅薄膜及镱薄膜，形成硅镱量子面等离子体光源结构。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的脉冲激光淀积法中，脉冲激光的波长为355nm、脉宽80～100纳秒、重复率1000～2000次/秒。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的脉冲激光刻蚀法中，脉冲激光的的波长为1064nm、脉宽60～100纳秒、重复率800～1200次/秒。
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