CN1405902A - 掺铒氧化锌近红外光源 - Google Patents

Abstract

一种掺铒氧化锌近红外光源，属半导体发光器件技术领域，在GaN基发光二极管上，沉积掺铒氧化锌单晶薄膜，转换波长，构成高效发射波长为1.54μm的近红外光源，有量子发光效率高和发射波长与工作温度无关等优点，特别适于在光通信技术中，与掺铒光纤放大器联用，作波长(1.54μm)不依赖于工作温度的高效近红外光源。

Description

掺铒氧化锌近红外光源

                    技术领域

本发明涉及一种掺铒氧化锌近红外光源，确切说，涉及一种在GaN基发光二极管(GaN-LED)上沉积掺铒氧化锌(Er：ZnO)单晶薄层，转换波长，构成近红外光源，属半导体发光器件技术领域。

                    背景技术

近年来固态激光器之一，量子阱激光器已广泛应用于光通信。量子阱激光器具有高增益、高量子发光效率，但其发射激光的波长强烈地依赖于工作温度，与掺铒光纤放大器联用时，必须对其实施精确的温度控制。特别是对窄带磷化铟基器件，掺铒光纤放大器光增益低，需精心制作光泵系统。当然，如果掺铒原子能进入半导体基质，有效地被电子激活，则研制理想的1.54μm波长的近红外光源和放大器将成为可能。事实上，美国军事研究局已公开了一种在铟镓氮发光二极管上沉积掺铒氮化镓薄膜，转换波长为1.54μm的近红外光源。这是一种不依赖于工作温度，由铒离子内部亚壳层电子跃迁稳定发射1.54μm波长的近红外光源。但其缺点是量子发光效率还不够高。原因是，III-V族半导体材料(如氮化镓)中的共价键不能激活所需的铒离子(Er³⁺)能级。为增强铒离子(Er³⁺)发射，在III-V族和硅半导体材料中引入杂质。当含有杂质元素(如氧)的掺铒基质半导体形成氧和铒的复合体，则铒离子(Er³⁺)的光发射显著增强。然而，大量杂质的掺入，会造成基质材料结晶性能劣化，产生大量复合深能级，影响铒离子(Er³⁺)的量子发光效率。

本发明的发明者认为，铒离子(Er³⁺)在半导体中的量子发光效率没有在介电材料中的高。介电材料中的离子键对的形成更能激活所需的铒离子(Er³⁺)能级。为此，改用宽禁带材料，可以有效地实现基质材料和铒离子间的能量迁移，克服铒离子(Er³⁺)荧光高温猝灭、浓度猝灭和低固溶度现象。而掺在氧化锌中的铒离子(Er³⁺)的内部亚壳层电子跃迁可以高效率地发射1.54μm的近红外光，其输出波长基本上不依赖工作温度，是一种稳定、高效和理想的近红外光源。

                        发明内容

本发明要解决的技术问题是推出一种发射波长与工作温度无关的、高效的发射波长为1.54μm的掺铒氧化锌近红外光源。

本发明通过采用以下结构使上述技术问题得到解决：在GaN基发光二极管上，沉积掺铒氧化锌单晶薄膜，转换波长，构成高效发射波长为1.54μm的近红外光源。

现结合附图详细说明本发明的结构。

一种掺铒氧化锌近红外光源，包括衬底1、p-AlGaN层2、InGaN层3、n-AlGaN层4、掺铒化合物单晶薄层和金属电极7，衬底1是白宝石，即Al₂O₃的透明晶片，p-AlGaN层2、InGaN层3和n-AlGaN层4组成GaN基发光二极管，p-AlGaN层2和n-AlGaN层4上制有金属电极7，n-AlGaN层4上沉积有掺铒化合物单晶薄层，掺铒化合物单晶薄层或p-AlGaN层2沉积在衬底1上，其特征在于，还包括氧化锌单晶薄膜过渡层5，掺铒化合物单晶薄层是掺铒氧化锌单晶薄层6，氧化锌单晶薄膜过渡层5沉积在掺铒氧化锌单晶薄层6与n-AlGaN层4之间。

上述近红外光源的附加特征在于，掺铒氧化锌单晶薄层6的上面为衬底1和GaN基发光二极管的p-AlGaN层2的下面沉积制有金属反射膜9。

上述近红外光源的附加特征在于，氧化锌单晶薄膜过渡层5的厚度、掺铒氧化锌单晶薄层6的厚度和掺铒浓度分别介于0.9～1.1μm、0.1～3μm和10¹⁶～10²⁰cm^-3。

工作原理。本发明的工作过程为：电源经金属电极7加至GaN基发光二极管，GaN基发光二极管发射波长为450～550nm的蓝绿光，掺铒氧化锌单晶薄层6中的铒离子(Er³⁺)吸收该波长的光，然后转换波长，发射波长为1.54μm的近红外光。在含有金属反射膜9的近红外光源中，由于GaN基发光二极管向上、下两个方向发射波长为450～550nm的蓝绿光，反射波长为450～550nm的光的金属反射膜9反射原先未加利用的蓝绿光，令其通过掺铒氧化锌单晶薄层6，提高了转换效率。

由于氧化锌是宽禁带(3.37eV)、强离子性介电材料，可以克服铒离子的高温荧光猝灭、浓度猝灭现象和低固溶度，实现铒离子的高量子发光效率。而稀土族金属离子内部亚壳层电子跃迁，发射红外光，其输出波长不会因工作温度变化而变化。这就是为在GaN基发光二极管上沉积掺铒氧化锌单晶薄层6的原因。

GaN基发光二极管是高强度长寿命的高温光源，氧化锌和氮化镓同为高温高频抗辐照半导体材料，两者的晶格常数接近，氧化锌单晶薄膜过滤层5可以容易地沉积在GaN基发光二极管上。掺铒氧化锌单晶薄层6又可以沉积在氧化锌单晶薄膜过渡层5上。在GaN基发光二极管与掺铒氧化锌单晶薄层6之间沉积氧化锌单晶薄膜过渡层5可以提高掺铒氧化锌单晶薄层6的晶体质量，从而提高量子发光效率。

本发明的优点是，克服了量子阱激光器输出波长强烈依赖工作温度的不足。采用掺铒氧化锌单晶薄层6进行波长转换，不但可以克服铒离子的高温荧光猝灭、浓度猝灭和低固溶度，而且可以实现铒离子高量子发光效率。此外，本发明所涉的近红外光源与掺铒光纤放大器匹配，特别适合于局域性波分复用光通信系统，也可用作医用和光电子领域作波长不依赖工作温度的高效近红外光源。

                        附图说明

图1和图2是本发明所涉的掺铒氧化锌近红外光源两种结构的示意图，其中1是衬底，是白宝石，即Al₂O₃的透明晶片，2是p-AlGaN层，3是InGaN层，4是n-AlGaN层，5是氧化锌，即ZnO单晶薄膜过渡层，6是掺铒氧化锌，即ZnO：Er单晶薄层，7是金属电极，8是发射光和9是金属反射膜。

                    具体实施方式

实施例1

本实施例具有图1所示的结构，氧化锌单晶薄膜过渡层5的厚度为0.9～1.1μm，掺铒氧化锌单晶薄层6的厚度介于0.1～3μm，掺铒浓度介于10¹⁶～10²⁰cm^-3，GaN基发光二极管发出波长为520nm的蓝绿光，经掺铒氧化锌单晶薄层6后转换成波长为1.54μm的近红外光，量子发光效率介于10～35％，掺铒氧化锌单晶薄层6的厚度越厚，掺铒浓度越浓，量子发光效率越高，反之亦然。

实施例2

本实施例具有图2所示的结构，氧化锌单晶薄膜过渡层5的厚度为0.9～1.1μm，掺铒氧化锌单晶薄层6的厚度介于0.1～3μm，掺铒浓度介于10¹⁶～10²⁰cm^-3，GaN基发光二极管发出波长为520nm的蓝绿光，经掺铒氧化锌单晶薄层6后转换成波长为1.54μm的近红外光，量子发光效率介于20～60％，掺铒氧化锌单位晶薄层6的厚度越厚，掺铒浓度越浓，量子发光效率越高，反之亦然。

本发明所涉的掺铒氧化锌近红外光源特别适于在光通信技术中，与掺铒光纤放大器联用，作波长(1.54μm)不依赖于工作温度的高效近红外光源。

Claims (3)

1.一种掺铒氧化锌近红外光源，包括衬底1、p-AlGaN层2、InGaN层3、n-AlGaN层4、掺铒化合物单晶薄层和金属电极7，衬底1是白宝石，即Al₂O₃的透明晶片，p-AlGaN层2、InGaN层3和n-AlGaN层4组成GaN基发光二极管，p-AlGaN层2和n-AlGaN层4上制有金属电极7，n-AlGaN层4上沉积有掺铒化合物单晶薄层，掺铒化合物单晶薄层或p-AlGaN层2沉积在衬底1上，其特征在于，还包括氧化锌单晶薄膜过渡层5，掺铒化合物单晶薄层是掺铒氧化锌单晶薄层6，氧化锌单晶薄膜过渡层5沉积在掺铒氧化锌单晶薄层6与n-AlGaN层4之间。

2.根据权利要求1所述的掺铒氧化锌近红外光源，其特征在于，掺铒氧化锌单晶薄层6的上面为衬底1和GaN基发光二极管的p-AlGaN层2的下面沉积制有金属反射膜9。

3.根据权利要求1或2所述的掺铒氧化锌近红外光源，其特征在于，氧化锌单晶薄膜过渡层5的厚度、掺铒氧化锌单晶薄层6的厚度和掺铒浓度分别介于0.9～1.1μm、0.1～3μm和10¹⁶～10²⁰cm^-3。