CN114153084A - 一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件光电调控技术领域，提供了一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，这个方法可以实现在飞秒时间精度(10‑15s)控制半导体元件的折射率、介电常数、消光系数等光学参数及被调控光束经过半导体元件时的吸收系数大小、反射率强度及光谱结构等。主要方案包括，步骤1：通过第一性原理计算和角分辨光电子能谱方法获得直接带隙半导体元件的电子结构(导带和价带的能带结构)及载流子有效质量；步骤2：根据获得的半导体元件载流子有效质量及能隙宽度设计半导体元件光学性质调控的泵浦光参数；步骤3：依据设计的调控参数，搭建超高时间精度调控直接带隙半导体材料光学性质的装置。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件光电调控技术领域，具体涉及一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法。
背景技术
随着光通信、光探测与光显示等领域的快速发展，对半导体光电子器件及半导体光学器件需求越来越大。在光电子器件及半导体光学器件研究过程中一个重要的研究方向是在技术上实现对半导体元件光学性质在时间尺度上的超快高精度调控，如：在光纤通讯网络中，通过对半导体元件光学性质的超快调控，可以实现对光路的快速切换；在光探测及防护领域需控制半导体元件的光学性质，实现半导体元件对探测光的吸收及反射的精确控制等。
由于有较高的光电效率，光电子器件及半导体光学器件中主要采用直接带隙半导体材料作为元件，因此我们的调控对象也是直接带隙半导体材料元件。现有的调控半导体元件光学性质的方法一般采用外加电压或超声波的方式进行。在元件上外加电压，可以在半导体元件中产一个静电场，进而引起电光效应(泡克尔斯效应、克尔效应)、电吸收效应或半导体材料的等离子体色散效应。其中泡克尔斯效应和克尔效应是由静电场直接引起的，而电致吸收效应以及半导体材料的等离子体色散效应(等离子体色散效应是利用静电场引起半导体材料载流子浓度变化，进而控制半导体元件光学性质的变化)由静电场间接引起的。外加电压调控半导体材料元件光学性质的方法受到施加电压的速度和精度限制，现阶段时间控制精度一般在10ns左右(10-8s)。超声波调控半导体元件光学性质利用的是声光效应，基本原理是：声波通过半导体元件时会造成材料局部压缩和伸长而产生弹性应变，使半导体材料内部的密度出现疏密相间变化，进而引起元件折射率变化，最后导致光学性质产生变化。超声波调控技术采用超声波振荡器来产生超声波，其控制精度受到超声波振荡器的功率和频率限制，现阶段时间控制精度一般在30-50ns左右(10-8s)
与现有的调控技术不同，本发明基于多光子动态弗朗兹一凯尔迪什物理效应对直接带隙半导体材料元件瞬态光学性质进行调控，对光学性质的调控精度可以达到飞秒时间尺度(＜10fs)，是现有技术的1百万倍以上。本发明的独特之处主要有：
(1)本发明采用的多光子动态弗朗兹一凯尔迪什物理效应与现有调控半导体光学性质的物理原理(电光效应、电吸收效应与等离子体色散效应)不同；
(3)本发明采用高功率飞秒激光和高精度延迟线相结合的方式调控直接带隙半导体材料元件的瞬态光学性质，这与现有的外加电压及超声波的技术方式不同；
(3)本发明所达到的调控精度可以达到飞秒时间尺度(＜10-14s)，远高于现有的调控技术(10-8s)。
发明内容
为了达到飞秒时间精度控制半导体元件光学性质的目的，提供了一种通过高功率飞秒激光和高精度延迟线相结合的方式调控直接带隙半导体材料元件的瞬态光学性质的技术。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，包括以下步骤：
1、设计调控直接带隙半导体元件光学性质的参数：通过第一性原理计算和角分辨光电子能谱方法获得直接带隙半导体材料的电子结构(导带和价带的能带结构)及载流子有效质量参数。根据获得的半导体材料载流子有效质量及能隙宽度设计半导体材料光学性质调控的泵浦光参数，设计出的泵浦光参数：(1)泵浦光单光子能量ηω0小于半导体元件材料能隙Eg的五分之一；(2)泵浦光强为固体电子动质力势能0.1ηω0≤Up≤10ηω0；(3)单脉冲能量密度小于半导体材料在此激光下损伤能量密度的2/3，单脉冲能量波动小于10％；(4)泵浦光的脉宽τpum是被调控光脉宽τpro的0.1到3倍。对于脉宽较大的被调控光可以使用高重频模式的泵浦光(＞500HZ)调控半导体元件光学性质。
2、搭建超高时间精度调控直接带隙半导体材料光学性质的设备：基于步骤1设计的调控直接带隙半导体元件光学性质参数搭建超高时间精度调控直接带隙半导体材料光学性质的设备。设备的构成主要包括：高功率泵浦激光和高精度光学延迟线。在搭建设备时需要：(1)泵浦光的参数满足步骤1中的参数要求；(2)泵浦光与被调控光束的夹角5度～35度；(3)泵浦激光与被调控光到达半导体元件表面的时间变化精度控制在10fs内；
本发明的有益效果是：
针对超高时间精度控制半导体元件光学性质的需求，本发明基于新的物理原理--多光子动态弗朗兹一凯尔迪什物理效应(与现有技术的调控机理不同)，提出了一种通过高功率激光与高精度光学延迟线相结合调控半导体元件瞬态光学性质的技术方法。这个方法可以实现在飞秒时间尺度调控半导体元件的光学性质，本发明的调控精度比现有的技术方法提高了几个数量级。
本发明可以适应于各种直接带隙半导体材料制成的元件，如：砷化镓、氧化锌、磷化铟等。本发明采用的是非接触式调控方法，不会对半导体元件所在的系统有太多的干扰，也不会引起污染和元件的损坏。此外由于高功率泵浦光的能量波动可以控制在很小的范围之内，光学延迟线的时间控制精度也很高，因此对半导体元件光学性质的调控具有很高的可控性与重复性。
附图说明
图1本发明流程示意图；
图2本发明中相关设备的结构示意图；
图3实施例一氧化锌元件紫外激光吸收系数的瞬态调控；
图4实施例二砷化镓元件红外激光透射率的瞬态调控。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。
实施例1
对波长380nm，脉宽500fs的紫外激光经过氧化锌元件的瞬态吸收系数进行了调控。先经角分辨光电子能谱获得氧化锌元件的电子结构和有效质量。获得的氧化锌元件的电子有效质量为0.24倍自由电子质量，空穴有效质量为0.59倍自由电子质量，能隙为3.2eV。然后根据这些参数设计出了进行调控的泵浦光，设计出的泵浦光波长3500nm，峰值功率密度0.05TW/cm2，脉宽1000fs，电子动质力势能Up≈1.657ηω0，此外使得泵浦光与被调控光的夹角为15度。采用延迟线控制被调控光与泵浦光到达氧化锌元件的时间差。图3中延迟时间越短，意味着被调控光与泵浦光到达氧化锌元件的时间差越小。经过调控可以看到在不同的时刻，被调控光经过氧化锌元件的吸收系数不同，即氧化锌元件的瞬态光学性质在飞秒时间尺度被精确调控了。
实施例2
对波长930nm，脉宽50fs的红外激光经过厚度3微米(长度和宽度为20mm×20mm)的砷化镓薄膜元件的瞬态透射率进行了调控。经第一性原理计算获得了砷化镓元件的电子结构和有效质量。获得的砷化镓元件的电子有效质量为0.068倍自由电子质量，空穴有效质量为0.45倍自由电子质量，能隙为1.42eV。根据这些参数设计出了进行调控的泵浦光，设计出的泵浦光波长4000nm，峰值功率密度5×1010W/cm2，脉宽200fs，电子动质力势能Up≈1.1ηω0，为了不影响被调控光的光路及同时保证泵浦光与元件的作用强度，我们根据元件的尺寸使泵浦光与被调控光的夹角为10度。通过高精度光学延迟线控制被调控光与泵浦光到达砷化镓薄膜元件的时间差。图4中延迟时间越大，意味着被调控光与泵浦光到达氧化锌元件的时间差越大，两者交叠越大。经过调控可以看到在不同的时刻，被调控光经过砷化镓薄膜元件的透射率不同，实现了在飞秒时间尺度精确调控砷化镓薄膜元件的光学性质。
Claims (8)
1.一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过第一性原理计算和角分辨光电子能谱方法获得直接带隙半导体元件的电子结构即导带和价带的能带结构及载流子有效质量参数；
步骤2：根据获得的半导体元件载流子有效质量及能隙宽度设计半导体元件光学性质调控的泵浦光参数；
步骤3：依据设计的泵浦光参数，搭建超高时间精度调控直接带隙半导体材料光学性质的装置，所述装置包括高功率泵浦激光和高精度光学延迟线，被调控光束垂直入射半导体元件，泵浦光通过高精度光学延迟线到达半导体元件的时间变化精度控制在10fs内，泵浦光与被调控光束的夹角5度～35度；
步骤4：搭建好调控装置后，将设计的泵浦光的激光参数加载到直接带隙半导体元件上，然后通过调整高精度光学延迟线的光程控制泵浦光与被调控光到元件表面的时间差，进而实现对被调控光通过半导体元件反射率、透射率吸收系数及元件折射率的超高时间精度调控。
2.根据权利要求1所述的一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：泵浦光的波长为泵浦光单光子能量ηω0小于半导体材料能隙Eg的五分之一。
3.根据权利要求1所述的一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方，其特征在于法，包括以下步骤：泵浦光强为固体电子动质力势能0.1ηω0≤Up≤10ηω0，并且动质力势能小于半导体材料能隙Eg，即Up＜Eg。
4.根据权利要求1所述的一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，包括以下步骤：泵浦光的脉宽τpum是被调控光脉宽τpro的0.1-3倍。
5.根据权利要求1所述的一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：为避免泵浦光对被调控光产生干扰，但同时使得泵浦光能有效调节半导体元件的光学性质，泵浦光与被调控光之间的夹角5度～35度。
6.根据权利要求1所述的所述的一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：调控时泵浦光单脉冲能量小于半导体元件在此激光下损伤能量密度的2/3，单脉冲能量波动小于10％。
7.根据权利要求1所述的所述的一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：高功率飞秒激光和高精度延迟线相结合的方式调控直接带隙半导体材料元件的光学性质。
8.根据权利要求1所述的所述的一种超高时间精度调控直接带隙半导体元件光学性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：调控采用多光子动态弗朗兹一凯尔迪什物理效应进行调控。
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