CN113064311B - 一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，包括：用于生成飞秒激光的飞秒激光器；用于将飞秒激光进行扩束准直的扩束准直透镜组；用于调整飞秒激光激发功率的衰减片；用于控制飞秒激光光束偏振，并可以生成任意可调偏振态的偏振组件；用于接收激发光束，并将光束聚焦于半导体微纳结构的物镜；用于高效耦合激发光，实现共振注入载流子，提升温度的半导体微纳结构；通过调节照射至所述半导体微纳结构上的光的重复频率、光的偏振态、光的波长以控制飞秒激光注入载流子的效率，以实现阈值可控制的片上集成半导体白光光源。本发明可以提高微纳结构的载流子注入效率，为光学芯片、硅光器件提供一种全新的高效率白光光源。

Description

一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源

技术领域

本发明涉及半导体光源技术领域，具体涉及一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源。

背景技术

半导体的光致发光光谱与其能带结构特性息息相关，按照能带结构的定义，半导体可以区分为直接带隙半导体与间接带隙半导体。其中，因为直接带隙半导体的价带顶Valence Band Maximum(VBM)与导带底Conduction Band Minimum(CBM)在动量空间中的位置是一致的，其电子在动量空间从价带顶激发到导带底时并不需要声子辅助。然而，间接带隙半导体的电子激发过程则需要声子参与，也就是说，电子会被晶格散射，从而放出声子以满足跃迁的动量守恒条件。因此，直接带隙半导体材料的发光效率很高，优于间接带隙半导体。

半导体能带结构本身由其晶格常数决定，因此，调控能带成为了调节半导体发光特性的重要手段。常用的能带调节手段有掺杂、半导体复合、缺陷构造、半导体超晶格制备、表面态调控、压力调节、强电场作用、温度调节等方法。其中，掺杂、半导体复合、构造缺陷、半导体超晶格制备、表面态调控、属于调控半导体材料本身，因此，除了发光性能提升以外，其他半导体性能，诸如熔点、结构强度、电导率均会受到严重影响。压力调节、强电场作用、温度调节在满足相应的压力、电场强度或者温度的条件下，可以实现调节半导体能带结构本身，并且尽量减少对半导体其他特性的影响。

光注入载流子是最典型的半导体注入载流子方式之一。

载流子的注入效率与温度变化息息相关，通常而言，根据不同的温度范围，半导体载流子浓度表现为1、低温弱电离区，2、中间电离区3、强电离区，4饱和区与完全本征激发之间的过渡区，以及5、高温本征激发区。

更详细地，半导体被光注入载流子，相当于掺杂。对于杂质浓度一定的半导体，随着载流子注入的增加以及温度的增高，载流子则是以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程。相应地，费米能级则从杂质能级附近移动到禁带中线处。半导体温度达到本征激发条件时，杂质电离已经不能增加电子数，本征激发成为载流子的主要来源，载流子浓度急剧上升。因此，通过本征激发，可以向半导体注入极高浓度的载流子。

通常而言，当温度足够高时，本征激发占主要地位，器件将不能正常工作，此外，本征激发温度与半导体的熔点十分接近，因而本征激发条件接近报道体器件工作的极限温度，器件容易失效。

因此，精确且细致地控制半导体器件的温度，成为了本征激发实用化所亟需解决的问题。

光学共振，作为一种近年来新兴的载流子注入方式，正在逐渐改变传统的光致荧光激发方法。光学共振可以显著增加载流子的弛豫时间，高品质因子的共振则使得载流子辐射复合的寿命变短。因此，使用高品质因子共振作为光学谐振腔，可以显著提高发光元件的量子效率，实现高亮度发光。除了辐射复合以外，通过光学共振注入的载流子更多地以非辐射复合的形式转化为晶格能量，即热能。利用光学共振同样地可以控制半导体发光器件的温度，实现本征激发。

总而言之，现有的能带工程方法往往会带来材料其他特性的变化，更重要的是，能带工程对材料本身的制备要求较高。相比起现有成熟的半导体产业，新材料的成本也会显著增长。现在亟需一种在原有半导体工业的基础上，实现量子效率的增强的方法。光学共振，可以同时兼顾提升量子效率与精细控制半导体温度。利用光学共振实现本征激发，是一种实现高亮度半导体白光光源的有效途径。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，利用飞秒激光注入高浓度载流子，使得半导体微纳结构满足本征激发条件，从而实现高亮度纳米白光光源。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一方面，本发明提供一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，包括飞秒激光激发光路、半导体微纳结构和探测装置，其中：

所述飞秒激光激发光路包括依次设置的飞秒激光器、扩束准直透镜组、衰减片、偏振组件、二向色镜、物镜和载物台；所述飞秒激光器用于生成飞秒激光；所述扩束准直透镜组用于将飞秒激光进行扩束准直，提升光束质量，抑制激光发散；所述衰减片用于调整飞秒激光功率，使用不同功率激发半导体微纳结构；所述偏振组件用于产生不同偏振态的飞秒激光；所述二向色镜用于将调节好偏振态的飞秒激光反射至物镜；所述物镜将特定偏振的飞秒激光汇聚，并聚焦于所述半导体微纳结构中；所述载物台用于承载所述半导体微纳结构；

所述半导体微纳结构用于提供与飞秒激光相匹配的光学共振区，提高飞秒激光激发下的线性和/或非线性吸收；增强载流子的注入效率，在飞秒激光的作用下产生高浓度载流子；载流子从高能级向低能级跃迁的热弛豫过程释放出大量声子，导致半导体微纳结构的温度大幅升高,进而达到该半导体微纳结构的本征激发的温度条件；该半导体微纳结构在本征激发下产生大量被激发到导带的载流子；载流子在导带形成俄歇效应产生热电子荧光辐射；

所述探测装置包括滤镜和光谱仪，位于飞秒激光激发光路下方，收集在不同功率下半导体微纳结构的透射光、反射光与荧光，然后确认半导体微纳结构的激发阈值，并形成收集光路；其中收集光路与飞秒激光激发光路共用二向色镜至物镜的光路，并通过二向色镜与滤镜组合对飞秒激光进行滤波，通过光谱仪得到半导体微纳结构的发光；

通过使用不同功率的飞秒激光照射激发所述半导体微纳结构，使其能通过共振被高效率地注入载流子，注入载流子过程时同时产生大量热量，使得半导体微纳结构进入本征激发区，以实现所述半导体微纳结构发射高亮度白光；

通过调节照射至所述半导体微纳结构上的光的重复频率、光的偏振态、光的波长以控制飞秒激光注入载流子的效率，以实现阈值可控制的片上集成半导体白光光源。

进一步地，所述偏振组件包括依次设置于衰减片后面的1/4玻片和1/2玻片。

进一步地，所述探测装置还包括位于二向色镜和滤镜之间的反射镜，用于将收集到的不同功率下半导体微纳结构的透射光、反射光与荧光发射至光谱仪。

进一步地，为满足最大效率的载流子注入，入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光偏振态和波长要与半导体微纳结构的共振严格一一对应。

进一步地，当入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光偏振态与半导体微纳结构所支持的共振偏振态不符，则会显著降低载流子注入效率，增大激发阈值。

进一步地，当入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光波长与半导体微纳结构所支持的共振波长不符，则会显著降低载流子注入效率，增大激发阈值。

进一步地，所述飞秒激光器需具有较宽的可调谐波长范围，典型的钛-蓝宝石激光器增益波长为700nm-1080nm，其调谐范围可通过飞秒激光参量震荡器进行扩展，实现410nm-2400nm的连续可调谐飞秒激光输出。

进一步地，所述半导体微纳结构为支持光学共振的米氏共振纳米颗粒、法布里珀罗共振纳米柱、光子晶体微腔、牛眼谐振环、回音壁模式微米球、回音壁模式微米盘或连续域束缚态共振的微纳结构；拥有光学共振，其本征模式频率为光学波段，且与入射激光匹配，包括紫外、可见光、近红外以及中红外波段；通过光学共振增加载流子的注入效率。

另一方面，本发明还提供一种提升间接带隙半导体材料发光量子效率的方法，包括如下步骤：

飞秒激光器产生飞秒激光，并通过1/4玻片与1/2玻片将所述飞秒激光转换成任意偏振态的飞秒激光；

将调节好偏振态的飞秒激光通过二向色镜反射至物镜，物镜对光束进行聚焦，其中，焦点位于半导体微纳结构上；

通过位于飞秒激光激发光路上的衰减片对入射光功率进行调节；其中，低功率激发时，半导体发光以共振发光为主，发光波长为共振波长；高功率激发时，半导体以本征激发为主，发光波长为宽谱白光；

通过位于激发光路下方的探测装置，收集在不同功率下微纳共振结构的透射光、反射光与荧光，然后确认半导体微纳结构的激发阈值；其中，收集光路与激发光路共用二向色镜至物镜的光路，并通过二向色镜与滤镜组合对飞秒激光进行滤波，通过光谱仪得到微纳结构的发光；

通过调节照射至半导体微纳结构上的光的重复频率、光的偏振态、光的波长以控制飞秒激光注入载流子的效率，以实现阈值可控制的片上集成半导体白光光源。

进一步地，飞秒激光器产生飞秒激光后，还包括：

通过一个凹透镜与凸透镜组成的扩束准直透镜组对飞秒激光进行扩束准直，提升光束质量，抑制激光发散。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明可以显著增加半导体微纳光源的发光效率，极大提高诸如硅/锗等间接带隙半导体微纳光源的发光强度；可以在单个纳米颗粒/微纳结构上实现高强度地发光；由于可以单独设计微纳结构的光学共振波长，可以更加轻松地兼容商用飞秒激光光源；相对于传统的硅基光源主要通过键合技术和外延生长两种方式生产，本申请的方案可以直接将硅基结构本身作为一种微纳光源，完全兼容现有的SOI刻蚀工艺，可以作为解决硅基光电集成缺少核心光源的理想技术方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源的结构示意图；

图2是是本发明提升间接带隙半导体材料发光量子效率的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明公开一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，能够通过共振向半导体微纳结构注入高浓度载流子，提升半导体微纳结构温度，使得半导体达到本征能激发条件，从而实现高亮度的白光发射，为片上集成光学芯片、全硅白光器件以及相关的工程提供一种新的微纳光源。以下分别进行详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，包括飞秒激光激发光路、半导体微纳结构和探测装置，其中：

所述飞秒激光激发光路包括依次设置的飞秒激光器、扩束准直透镜组、衰减片、偏振组件、二向色镜、物镜和载物台；所述飞秒激光器用于生成飞秒激光；所述扩束准直透镜组用于将飞秒激光进行扩束准直，提升光束质量，抑制激光发散；所述衰减片用于调整飞秒激光功率，使用不同功率激发半导体微纳结构；所述偏振组件用于产生不同偏振态的飞秒激光；所述偏振组件包括依次设置于衰减片后面的1/4玻片和1/2玻片；所述二向色镜用于将调节好偏振态的飞秒激光反射至物镜；所述物镜将特定偏振的飞秒激光汇聚，并聚焦于所述半导体微纳结构中；所述载物台用于承载所述半导体微纳结构；

所述半导体微纳结构用于提供与飞秒激光相匹配的光学共振区，提高飞秒激光激发下的线性和/或非线性吸收，非线性吸收包括但不限于双光子吸收和三光子吸收；增强载流子的注入效率，在飞秒激光的作用下产生高浓度载流子；载流子从高能级向低能级跃迁的热弛豫过程释放出大量声子，导致半导体微纳结构的温度大幅升高,进而达到该半导体微纳结构的本征激发的温度条件；该半导体微纳结构在本征激发下产生大量被激发到导带的载流子；载流子在导带形成俄歇效应产生热电子荧光辐射；

所述探测装置包括滤镜和光谱仪，位于飞秒激光激发光路下方，收集在不同功率下半导体微纳结构的透射光、反射光与荧光，然后确认半导体微纳结构的激发阈值，并形成收集光路；其中收集光路与飞秒激光激发光路共用二向色镜至物镜的光路，并通过二向色镜与滤镜组合对飞秒激光进行滤波，通过光谱仪得到半导体微纳结构的发光。

其中，通过调节照射至所述微纳结构上的光的重复频率，重复频率当与共振模式实现光谱匹配，以控制激发效率，进而控制白光的产生阈值。

其中，通过调节照射至所述微纳结构上的光的偏振态，改变激发的共振模式，以控制激发效率，进而控制白光的产生阈值。

其中，通过调节照射至所述微纳结构上的光的波长，改变激发的共振模式，以控制激发效率，进而控制白光的产生阈值。

其中，通过调节照射至所述微纳结构上的光的功率，改变半导体微纳结构的温度，待达到本征激发温度后，半导体微纳结构实现本征激发，产生高亮度白光。

本实施例中，入射至半导体微纳结构的光为飞秒激光，从而使得可见光范围的光学共振与飞秒激光实现光谱匹配。

本实施例中，飞秒激光通过Coherent Mira-HP飞秒激光器产生。

本实施例中，所述探测装置还包括位于二向色镜和滤镜之间的反射镜，用于将收集到的不同功率下半导体微纳结构的透射光、反射光与荧光发射至光谱仪。

使用所述白光冷光源明场照明，确认所述光学共振微纳结构的共振波长。并且确认使用何种偏振可以激发特定的光学模式。

使用飞秒激光对半导体微纳结构进行激发，并且通过所述飞秒激光激发光路对飞秒激光的偏振进行调控，使得激发光偏振与光着共振模式匹配。

使用低功率飞秒激光对所述光学共振微纳结构进行激发，此时半导体微纳结构产生与共振波长相匹配的光。

使用高功率飞秒激光对所述光学共振微纳结构进行激发，此时半导体微纳结构产生高亮度白光。

通过所述飞秒激光激发光路将飞秒激光调节至于半导体微纳结构光学共振相适应的波长偏振态，以实现高效的载流子注入，实现白光发射。

为满足最大效率的载流子注入，入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光偏振态和波长要与半导体微纳结构的共振严格一一对应。即半导体微纳结构的共振激发方式需与入射飞秒激光相匹配，匹配方式包括波长匹配以及偏振匹配。

当入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光偏振态与半导体微纳结构所支持的共振偏振态不符，则会显著降低载流子注入效率，增大激发阈值。

当入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光波长与半导体微纳结构所支持的共振波长不符，则会显著降低载流子注入效率，增大激发阈值。

所述飞秒激光器需具有较宽的可调谐波长范围，典型的钛-蓝宝石激光器增益波长为700nm-1080nm，其调谐范围可通过飞秒激光参量震荡器进行扩展，实现410nm-2400nm的连续可调谐飞秒激光输出。

所述半导体微纳结构为支持光学共振的米氏共振纳米颗粒、法布里珀罗共振纳米柱、光子晶体微腔、牛眼谐振环、回音壁模式微米球、回音壁模式微米盘或连续域束缚态共振等诸如此类的微纳结构；拥有光学共振，其本征模式频率为光学波段，且与入射激光匹配，包括紫外、可见光、近红外以及中红外波段；通过光学共振增加载流子的注入效率。

本发明可通过设计半导体微纳结构，使其能支持种类繁多的光学共振，例如半导体纳米颗粒支持的米氏共振，半导体纳米柱支持的法布里珀罗共振，半导体“牛眼”状谐振环支持的分布反馈共振、半导体微米球支持的回音壁模式共振、半导体微米盘支持的回音壁模式共振、半导体微纳波导支持的导模共振、半导体光子晶体支持的连续域束缚态共振等。

样品设计以及制备一：

1、光学共振结构的设计：以半导体纳米盘阵列为例。将硅、锗等在可见光、红外光波段具有高折射率的材料制备成直径为100-300nm的纳米盘。其磁偶极共振波长约等于折射率乘以纳米盘直径。设计时，共振波长根据飞秒激光器工作波长进行对应的设计。

2、半导体纳米盘阵列的制备：在实际应用过程中，可以利用电子束曝光的方法制备出硅纳米盘。具体而言，1、在厚度约为500微米的蓝宝石衬底上沉积230nm厚的单晶硅，制备成标准的蓝宝石衬底晶片。2、在晶片上旋涂250nm厚的氢硅酸盐类树脂，氢硅酸盐类树脂紧贴着硅片表面。3、使用电子束曝光设备，对氢硅酸盐类树脂进行曝光，制备成纳米硅盘的掩膜版。4、掩膜版制备完成后，使用电感耦合等离子体刻蚀设备，对硅晶片进行刻蚀。掩膜版之下的硅被保护，成为硅纳米盘。5、使用氢氟酸移除氢硅酸盐类树脂掩膜版，将硅纳米盘暴露出来。6、对硅纳米盘采用1000℃干热氧化100分钟，在纳米盘表面形成一层薄的二氧化硅层，以去除等离子体刻蚀引起的表面缺陷。

3、半导体纳米盘阵列光学共振波长的确定与验证：在实际测量时，将图1的飞秒激光器替换成卤素灯，卤素灯提供宽谱的白光光源，白光经过偏振片变成线偏振光，而后依次经过反射镜、物镜，并聚焦在微纳结构样品上。此时通过光谱仪对比观察白光聚焦在微纳结构上的信号，以及白光聚焦在载物台上的信号，两个信号的差值出现的尖峰则为光学共振峰，尖峰出现的波长是光学共振波长。其次，旋转偏振片调整偏振角度，调节白光偏振，验证所测得的光学共振的偏振依赖性质。

4、飞秒激光想半导体纳米盘阵列注入载流子：确定与验证微纳结构光学共振的激发偏振与共振波长之后。使用飞秒激光器产生重复频率约为76MHz的飞秒激光，飞秒激光波长可调谐。激发时，将飞秒激光器出射波长调谐至与微纳结构的共振波长一致的波长，并通过调节二分之一玻片与四分之一玻片，使得飞秒激光偏振与共振偏振一致。使用激光衰减片调节激光功率。

5、飞秒激光注入载流子的动态过程，以及判断实现本征激发的方法：飞秒激光激发时，首先使用激光衰减片将激光功率调至0.1-0.2mW，此为低功率。同时，使用光谱仪对荧光信号进行实时监控。在低功率激发时，荧光信号峰与光学共振峰一致，将功率稍微增加1-3mW时，荧光信号强度会随着功率的增长呈二次方的增长。当激发功率达到约5mW，报道体温度超过半导体本征激发阈值时，荧光强度会爆发性地增长。增强强度约为5-10倍，同时，荧光光谱发生展宽，呈现高亮度的宽谱荧光。

样品设计以及制备二：

1、光学共振结构的设计：以金膜上的硅球为例。在金膜上放置一个直径为75nm-300nm的纳米硅球，硅球本身的电偶极共振与金膜反射的镜像电偶极会组合成一种全新的光学共振模式——镜像磁偶极。镜像磁偶极模式拥有更窄的共振线宽，意味着其品质因素更高，可以更高效地注入载流子。

2、硅纳米球的制备：我们首先将硅元晶片切成长约为3cm，宽约为0.6cm的长方形，并将切好的硅片垂直插入透明比色皿中。而后，向比色皿中去加入离子水，水位恰好将硅片淹没。将比色皿放置与三维位移台上，并固定好。使用频率1KHz的飞秒放大极(Legend，Coherent Inc.)产生低重复频率的飞秒激光，并使用透镜将飞秒激光透过比色皿以及去离子水，聚焦于硅晶片上。当硅晶片上产生白色光斑，以及连续冒出气泡时，代表飞秒激光聚焦成功。激光加工产生的硅纳米球直径为100-300nm，分散于去离子水中。连续加工60min后，将去离子水取出，放置于试管内。使用超声机超声5min，分散团簇的硅球，而后使用离心机离心，设置转速为6000-9000转/分钟，根据转速的不同分离出不同直径的硅球。最后，将硅球溶液滴于厚度为50nm的金膜上，静置风干。

3、镜像磁偶极共振波长的确定与验证：在实际测量时，使用暗场套件测量单个硅球-金膜的散射谱，镜像磁偶极线型非常尖锐，共振波长在560nm-800nm。

4、飞秒激光向硅球注入载流子：使用飞秒激光器产生重复频率约为76MHz的飞秒激光，飞秒激光调谐至与镜像磁偶极波长一致，或者接近。由于硅球是圆形，偏振依赖不明显。激发时不需要额外调节偏振。

5、飞秒激光注入载流子的动态过程，以及判断实现本征激发的方法：飞秒激光激发时，首先使用激光衰减片将激光功率调至0.1-0.2mW，此为低功率。同时，使用光谱仪对荧光信号进行实时监控。在低功率激发时，荧光信号峰与电偶极共振峰一致，将功率稍微增加0.8mW时，荧光信号强度会随着功率的增长呈二次方的增长。当激发功率达到约1.5mW，报道体温度超过硅球本征激发阈值时，荧光强度会爆发性地增长。增强强度约为3-5倍，同时，荧光光谱发生展宽，呈现高亮度的宽谱荧光。

实施例2

请参阅图2，本发明还提供一种提升间接带隙半导体材料发光量子效率的方法，包括如下步骤：

S1、飞秒激光器产生飞秒激光，并通过1/4玻片与1/2玻片将所述飞秒激光转换成任意偏振态的飞秒激光；

S2、将调节好偏振态的飞秒激光通过二向色镜反射至物镜，物镜对光束进行聚焦，其中，焦点位于半导体微纳结构上；

S3、通过位于飞秒激光激发光路上的衰减片对入射光功率进行调节；其中，低功率激发时，半导体发光以共振发光为主，发光波长为共振波长；高功率激发时，半导体以本征激发为主，发光波长为宽谱白光；

S4、通过位于激发光路下方的探测装置，收集在不同功率下微纳共振结构的透射光、反射光与荧光，然后确认半导体微纳结构的激发阈值；其中，收集光路与激发光路共用二向色镜至物镜的光路，并通过二向色镜与滤镜组合对飞秒激光进行滤波，通过光谱仪得到微纳结构的发光；

S5、通过调节照射至半导体微纳结构上的光的重复频率、光的偏振态、光的波长以控制飞秒激光注入载流子的效率，以实现阈值可控制的片上集成半导体白光光源。

本实施例中，飞秒激光器产生飞秒激光后，还包括：

通过一个凹透镜与凸透镜组成的扩束准直透镜组对飞秒激光进行扩束准直，提升光束质量，抑制激光发散。

本发明可以显著增加半导体微纳光源的发光效率，极大提高诸如硅/锗等间接带隙半导体微纳光源的发光强度；可以在单个纳米颗粒/微纳结构上实现高强度地发光；由于可以单独设计微纳结构的光学共振波长，可以更加轻松地兼容商用飞秒激光光源；相对于传统的硅基光源主要通过键合技术和外延生长两种方式生产，本申请的方案可以直接将硅基结构本身作为一种微纳光源，完全兼容现有的SOI刻蚀工艺，可以作为解决硅基光电集成缺少核心光源的理想技术方案。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，其特征在于，包括飞秒激光激发光路、半导体微纳结构和探测装置，其中：

所述飞秒激光激发光路包括依次设置的飞秒激光器、扩束准直透镜组、衰减片、偏振组件、二向色镜、物镜和载物台；所述飞秒激光器用于生成飞秒激光；所述扩束准直透镜组用于将飞秒激光进行扩束准直，提升光束质量，抑制激光发散；所述衰减片用于调整飞秒激光功率，使用不同功率激发半导体微纳结构；所述偏振组件用于产生不同偏振态的飞秒激光；所述二向色镜用于将调节好偏振态的飞秒激光反射至物镜；所述物镜将特定偏振的飞秒激光汇聚，并聚焦于所述半导体微纳结构中；所述载物台用于承载所述半导体微纳结构；

所述半导体微纳结构用于提供与飞秒激光相匹配的光学共振区，提高飞秒激光激发下的线性和/或非线性吸收，增强载流子的注入效率，在飞秒激光的作用下产生高浓度载流子，载流子从高能级向低能级跃迁的热弛豫过程释放出大量声子，导致半导体微纳结构的温度大幅升高,进而达到该半导体微纳结构的本征激发的温度条件；该半导体微纳结构在本征激发下产生大量被激发到导带的载流子；载流子在导带形成俄歇效应产生热电子荧光辐射；

所述探测装置包括滤镜和光谱仪，位于飞秒激光激发光路下方，收集在不同功率下半导体微纳结构的透射光、反射光与荧光，然后确认半导体微纳结构的激发阈值，并形成收集光路；其中收集光路与飞秒激光激发光路共用二向色镜至物镜的光路，并通过二向色镜与滤镜组合对飞秒激光进行滤波，通过光谱仪得到半导体微纳结构的发光；

通过使用不同功率的飞秒激光照射激发所述半导体微纳结构，使其能通过共振被高效率地注入载流子，注入载流子过程时同时产生大量热量，使得半导体微纳结构进入本征激发区，以实现所述半导体微纳结构发射高亮度白光；

通过调节照射至所述半导体微纳结构上的光的重复频率、光的偏振态、光的波长以控制飞秒激光注入载流子的效率，以实现阈值可控制的片上集成半导体白光光源；

当入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光偏振态与半导体微纳结构所支持的共振偏振态不符，则会降低载流子注入效率，增大激发阈值。

2.根据权利要求1所述的高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，其特征在于，所述偏振组件包括依次设置于衰减片后面的1/4玻片和1/2玻片。

3.根据权利要求1所述的高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，其特征在于，所述探测装置还包括位于二向色镜和滤镜之间的反射镜，用于将收集到的不同功率下半导体微纳结构的透射光、反射光与荧光发射至光谱仪。

4.根据权利要求1所述的高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，其特征在于，为满足最大效率的载流子注入，入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光偏振态和波长要与半导体微纳结构的共振严格一一对应。

5.根据权利要求1所述的高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，其特征在于，当入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光波长与半导体微纳结构所支持的共振波长不符，则会显著降低载流子注入效率，增大激发阈值。

6.根据权利要求1所述的高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，其特征在于，所述飞秒激光器为钛-蓝宝石激光器，增益波长为700nm-1080nm，其调谐范围能通过飞秒激光参量震荡器进行扩展，实现410nm-2400nm的连续可调谐飞秒激光输出。

7.根据权利要求1所述的高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，其特征在于，所述半导体微纳结构为支持光学共振的米氏共振纳米颗粒、法布里珀罗共振纳米柱、光子晶体微腔、牛眼谐振环、回音壁模式微米球、回音壁模式微米盘或连续域束缚态共振的微纳结构，拥有光学共振，其本征激发频率为光学波段，且与入射激光匹配，所述光学波段包括紫外、可见光、近红外以及中红外波段，通过光学共振增加载流子的注入效率。

8.一种提升间接带隙半导体材料发光量子效率的方法，采用如权利要求2所述的高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，其特征在于，包括如下步骤：

飞秒激光器产生飞秒激光，并通过1/4玻片与1/2玻片将所述飞秒激光转换成任意偏振态的飞秒激光；

将调节好偏振态的飞秒激光通过二向色镜反射至物镜，物镜对光束进行聚焦，其中，焦点位于半导体微纳结构上；

通过位于飞秒激光激发光路上的衰减片对入射光功率进行调节；其中，低功率激发时，半导体微纳结构发光以共振发光为主，发光波长为共振波长；高功率激发时，半导体微纳结构以本征激发为主，发光波长为宽谱白光；

通过位于激发光路下方的探测装置，收集在不同功率下半导体微纳结构的透射光、反射光与荧光，然后确认半导体微纳结构的激发阈值；其中，收集光路与激发光路共用二向色镜至物镜的光路，并通过二向色镜与滤镜组合对飞秒激光进行滤波，通过光谱仪得到半导体微纳结构的发光；

通过调节照射至半导体微纳结构上的光的重复频率、光的偏振态、光的波长以控制飞秒激光注入载流子的效率，以实现阈值可控制的片上集成半导体白光光源；

当入射至所述半导体微纳结构的飞秒激光偏振态与半导体微纳结构所支持的共振偏振态不符，则会降低载流子注入效率，增大激发阈值。

9.根据权利要求8所述的提升间接带隙半导体材料发光量子效率的方法，其特征在于，飞秒激光器产生飞秒激光后，还包括：

通过一个凹透镜与凸透镜组成的扩束准直透镜组对飞秒激光进行扩束准直，提升光束质量，抑制激光发散。

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