CN112134144B - 一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及制作方法 - Google Patents

一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，利用富含表面态的硫化镉/硫化锌核壳量子点（4‑2）的表面态发射，可实现超低阈值的光增益，其中，应用硫化锌壳（4‑2‑2）将硫化镉量子点（4‑2‑1）的表面态与外部环境隔离，可提高表面态的稳定性；同时将内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层（4）“夹”在两片高反镜之间，最终可获得超低阈值、高稳定性和高品质因子的垂直腔面发射量子点激光器，能够有效提高所设计激光器的工作效率；同时本发明设计了针对此激光器的制作方法，能够提高所设计垂直腔面发射激光器制作的工艺标准，保证激光器的稳定性。

Description

一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器 及制作方法
技术领域
本发明涉及一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及制作方法，属于半导体光电子器件技术领域。
背景技术
受益于量子限域效应，半导体量子点作为光增益材料，展现出了多种优越的性能，例如发射波长随尺寸可调、潜在的低激光阈值和温度不敏感的激光性能。然而由于基态吸收的存在，量子点的带边态要实现光增益，其所含激子（吸收的光子）数必须大于最低量子态的简并度（能容纳的电子数）的一半。这限制了量子点激光器的阈值，使其难以实现连续光泵浦或电泵浦。
垂直腔面发射激光器具有集成度高、易与光纤耦合、以及制备过程中可实时检测等优点。然而胶体量子点与平面腔的耦合一直没能很好地实现。目前，最常用的做法是在下高反镜上旋涂内含量子点的有机聚合物薄膜，然后在聚合物薄膜上沉积上高反镜，构成法布里-珀罗腔，但是由于有机聚合物与无机上高反镜材料的膨胀系数相差较大，很难获得高品质因子的谐振腔。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，具有超低阈值和高品质因子的优点，能够有效提高激光器的实际工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，包括基板、下高反镜、上高反镜、以及内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层；其中，下高反镜固定覆盖设置于基板的上表面，主二氧化硅层固定覆盖设置于下高反镜的上表面，由主二氧化硅层中硫化镉/硫化锌核壳量子点的表面态发射实现超低阈值的光增益，上高反镜固定覆盖设置于主二氧化硅层的上表面。
作为本发明的一种优选技术方案：所述内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层包括二氧化硅膜、以及嵌入二氧化硅膜中的各个硫化镉/硫化锌核壳量子点。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各个硫化镉/硫化锌核壳量子点分别均包括硫化镉量子点、以及包覆在硫化镉量子点表面的硫化锌壳。
作为本发明的一种优选技术方案：所述下高反镜为分布式布拉格反射镜，包括7个第一二氧化钛层和6个第一二氧化硅层，各第一二氧化钛层与各第一二氧化硅层彼此交替堆叠。
作为本发明的一种优选技术方案：所述下高反镜中各第一二氧化钛层的光学厚度与各第一二氧化硅层的光学厚度均为激光器发射波长的1/4。
作为本发明的一种优选技术方案：所述上高反镜为分布式布拉格反射镜，包括6个第二二氧化钛层和5个第二二氧化硅层，各第二二氧化钛层与各第二二氧化硅层彼此交替堆叠。
作为本发明的一种优选技术方案：所述上高反镜中各第二二氧化钛层的光学厚度与各第二二氧化硅层的光学厚度均为激光器发射波长的1/4。
作为本发明的一种优选技术方案：所述基板为石英基板。
与上述相对应，本发明进一步设计了针对内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的制作方法，针对所设计垂直腔面发射激光器的结构，通过多种工艺的协同，设计全新制作方式，能够提高所设计垂直腔面发射激光器制作的工艺标准，保证激光器的稳定性。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤A. 应用高温热分解法制备富含表面态的各个硫化镉量子点，然后进入步骤B；
步骤B. 应用连续离子层吸附反应法，针对各个硫化镉量子点表面包覆硫化锌壳，获得各个硫化镉/硫化锌核壳量子点，然后进入步骤C；
步骤C. 应用电子束热蒸发法，在基板上表面交替堆叠沉积7个第一二氧化钛层和6个第一二氧化硅层，构成设置于基板上表面的下高反镜，然后进入步骤D；
步骤D. 按预设第一质量比，将各个硫化镉/硫化锌核壳量子点分散于甲苯中，再按预设第二质量比，将含有硫化镉/硫化锌核壳量子点的甲苯分散液与全氢聚硅氮烷混合，然后旋涂到下高反镜的上表面，构成内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层，然后进入步骤E；
步骤E. 应用射频磁控溅射法，在主二氧化硅层上表面交替堆叠沉积6个第二二氧化钛层和5个第二二氧化硅层，构成设置于主二氧化硅层上表面的上高反镜。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤D中，按1：5的质量比，将各个硫化镉/硫化锌核壳量子点分散于甲苯中，再1：1的质量比，将含有硫化镉/硫化锌核壳量子点的甲苯分散液与全氢聚硅氮烷混合。
本发明所述一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，采用全新结构设计，利用富含表面态的硫化镉/硫化锌核壳量子点的表面态发射，可实现超低阈值的光增益，其中，应用硫化锌壳将硫化镉量子点的表面态与外部环境隔离，可提高表面态的稳定性；并且无机二氧化硅与无机上高反镜材料的膨胀系数相同或接近,二者能够很好的兼容；同时将内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层“夹”在两片高反镜之间，最终可获得超低阈值、高稳定性和高品质因子的垂直腔面发射量子点激光器，能够有效提高所设计激光器的工作效率；同时本发明设计了针对此激光器的制作方法，通过多种工艺的协同，设计全新制作方式，能够提高所设计垂直腔面发射激光器制作的工艺标准，保证激光器的稳定性。
附图说明
图1是本发明所设计一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的剖面示意图；
图2是本发明设计中硫化镉/硫化锌核壳量子点的结构示意图。
其中，1. 基板，2. 下高反镜，2-1. 第一二氧化钛层，2-2. 第一二氧化硅层，3.上高反镜，3-1. 第二二氧化钛层，3-2. 第二二氧化硅层，4. 主二氧化硅层，4-1. 二氧化硅膜，4-2. 硫化镉/硫化锌核壳量子点，4-2-1. 硫化镉量子点，4-2-2. 硫化锌壳。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，实际应用当中，如图1所示，具体包括基板1、下高反镜2、上高反镜3、以及内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层4；其中，下高反镜2固定覆盖设置于基板1的上表面，主二氧化硅层4固定覆盖设置于下高反镜2的上表面，由主二氧化硅层4中硫化镉/硫化锌核壳量子点的表面态发射实现超低阈值的光增益，上高反镜3固定覆盖设置于主二氧化硅层4的上表面，实际应用当中，基板1设计采用石英基板。
其中，如图1所示，所述内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层4包括二氧化硅膜4-1、以及嵌入二氧化硅膜4-1中的各个硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2；如图2所示，各个硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2分别均包括硫化镉量子点4-2-1、以及包覆在硫化镉量子点4-2-1表面的硫化锌壳4-2-2。
硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2是光增益介质，利用表面态发射实现超低阈值的光增益；硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2的表面态只发射不吸收，其发射光子的能量来源于带边态的吸收，可实现超低阈值的光增益理论上阈值为零；无机二氧化硅与无机上高反镜3材料的膨胀系数相同或接近，将硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2镶嵌于二氧化硅膜4-1中，是为了获得高品质因子的内含量子点的垂直腔面发射激光器，光场在内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层4的上下面间振荡和放大。
如图1所示，实际应用中，针对下高反镜2，选择应用分布式布拉格反射镜，具体设计包括7个第一二氧化钛层2-1和6个第一二氧化硅层2-2，各第一二氧化钛层2-1与各第一二氧化硅层2-2彼此交替堆叠；并且实际应用中，各第一二氧化钛层2-1的光学厚度与各第一二氧化硅层2-2的光学厚度均为激光器发射波长的1/4，如此使得下高反镜2的反射率大于99.5%，为谐振腔提供尽量高的反射。
如图1所示，针对上高反镜3，选择应用分布式布拉格反射镜，具体设计包括6个第二二氧化钛层3-1和5个第二二氧化硅层3-2，各第二二氧化钛层3-1与各第二二氧化硅层3-2彼此交替堆叠；并且实际应用中，各第二二氧化钛层3-1的光学厚度与各第二二氧化硅层3-2的光学厚度均为激光器发射波长的1/4；如此使得上高反镜3的反射率小于99%，为谐振腔提供部分反射，另一部分光垂直该高反镜出射。
与上述相对应，本发明进一步设计了针对内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的制作方法，实际应用当中，具体执行如下步骤A至步骤E。
步骤A. 应用高温热分解法制备富含表面态的各个硫化镉量子点4-2-1，然后进入步骤B。
步骤B. 应用连续离子层吸附反应法，针对各个硫化镉量子点4-2-1表面包覆硫化锌壳4-2-2，获得各个硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2，然后进入步骤C。
步骤C. 应用电子束热蒸发法，在基板1上表面交替堆叠沉积7个第一二氧化钛层2-1和6个第一二氧化硅层2-2，构成设置于基板1上表面的下高反镜2，然后进入步骤D。
步骤D. 按1：5的质量比，将各个硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2分散于甲苯中，再1：1的质量比，将含有硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2的甲苯分散液与全氢聚硅氮烷混合，然后旋涂到下高反镜2的上表面，构成内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层4，然后进入步骤E。
步骤E. 应用射频磁控溅射法，在主二氧化硅层4上表面交替堆叠沉积6个第二二氧化钛层3-1和5个第二二氧化硅层3-2，构成设置于主二氧化硅层4上表面的上高反镜3。
上述技术方案所设计内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，采用全新结构设计，利用富含表面态的硫化镉/硫化锌核壳量子点4-2的表面态发射，可实现超低阈值的光增益，其中，应用硫化锌壳4-2-2将硫化镉量子点4-2-1的表面态与外部环境隔离，可提高表面态的稳定性；并且无机二氧化硅与无机上高反镜3材料的膨胀系数相同或接近,二者能够很好的兼容；同时将内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层4“夹”在两片高反镜之间，最终可获得超低阈值、高稳定性和高品质因子的垂直腔面发射量子点激光器，能够有效提高所设计激光器的工作效率；同时本发明设计了针对此激光器的制作方法，通过多种工艺的协同，设计全新制作方式，能够提高所设计垂直腔面发射激光器制作的工艺标准，保证激光器的稳定性。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：包括基板（1）、下高反镜（2）、上高反镜（3）、以及主二氧化硅层（4），且主二氧化硅层（4）内含富含表面态的硫化镉/硫化锌核壳量子点（4-2）；其中，下高反镜（2）固定覆盖设置于基板（1）的上表面，主二氧化硅层（4）固定覆盖设置于下高反镜（2）的上表面，通过主二氧化硅层（4）中所富含表面态的硫化镉/硫化锌核壳量子点的表面态发射，实现超低阈值的光增益，上高反镜（3）固定覆盖设置于主二氧化硅层（4）的上表面；
下高反镜（2）为分布式布拉格反射镜，包括7个第一二氧化钛层（2-1）和6个第一二氧化硅层（2-2），各第一二氧化钛层（2-1）与各第一二氧化硅层（2-2）彼此交替堆叠；上高反镜（3）为分布式布拉格反射镜，包括6个第二二氧化钛层（3-1）和5个第二二氧化硅层（3-2），各第二二氧化钛层（3-1）与各第二二氧化硅层（3-2）彼此交替堆叠；
上高反镜（3）中各第二二氧化钛层（3-1）的光学厚度与各第二二氧化硅层（3-2）的光学厚度均为激光器发射波长的1/4；
下高反镜（2）中各第一二氧化钛层（2-1）的光学厚度与各第一二氧化硅层（2-2）的光学厚度均为激光器发射波长的1/4。
2.根据权利要求1所述一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层（4）包括二氧化硅膜（4-1）、以及嵌入二氧化硅膜（4-1）中的各个硫化镉/硫化锌核壳量子点（4-2）。
3.根据权利要求2所述一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述各个硫化镉/硫化锌核壳量子点（4-2）分别均包括硫化镉量子点（4-2-1）、以及包覆在硫化镉量子点（4-2-1）表面的硫化锌壳（4-2-2）。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述一种内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述基板（1）为石英基板。
5.一种针对权利要求1至4中任意一项所述内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A. 应用高温热分解法制备富含表面态的各个硫化镉量子点（4-2-1），然后进入步骤B；
步骤B. 应用连续离子层吸附反应法，针对各个硫化镉量子点（4-2-1）表面包覆硫化锌壳（4-2-2），获得各个硫化镉/硫化锌核壳量子点（4-2），然后进入步骤C；
步骤C. 应用电子束热蒸发法，在基板（1）上表面交替堆叠沉积7个第一二氧化钛层（2-1）和6个第一二氧化硅层（2-2），构成设置于基板（1）上表面的下高反镜（2），然后进入步骤D；
步骤D. 按预设第一质量比，将各个硫化镉/硫化锌核壳量子点（4-2）分散于甲苯中，再按预设第二质量比，将含有硫化镉/硫化锌核壳量子点（4-2）的甲苯分散液与全氢聚硅氮烷混合，然后旋涂到下高反镜（2）的上表面，构成内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的主二氧化硅层（4），然后进入步骤E；
步骤E. 应用射频磁控溅射法，在主二氧化硅层（4）上表面交替堆叠沉积6个第二二氧化钛层（3-1）和5个第二二氧化硅层（3-2），构成设置于主二氧化硅层（4）上表面的上高反镜（3）。
6.根据权利要求5所述一种针对内含硫化镉/硫化锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于：所述步骤D中，按1：5的质量比，将各个硫化镉/硫化锌核壳量子点（4-2）分散于甲苯中，再1：1的质量比，将含有硫化镉/硫化锌核壳量子点（4-2）的甲苯分散液与全氢聚硅氮烷混合。
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