新型硅鐿量子面等離子體光源及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明及納米光子材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種新型硅鐿量子面等離子體光源及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我們正處于后信息時代，其特點是由電子信息階段過渡到光子信息階段，現(xiàn)在已經(jīng)完成以光子為信息載體的轉(zhuǎn)換過程，如已經(jīng)實現(xiàn)全光的光纖通信和光通信。當(dāng)今的發(fā)展進(jìn)入芯片上的光電子集成與芯片級的全光化，這是實現(xiàn)光量子信息處理和光量子信息計算的關(guān)鍵，而作出硅芯片上的用于光互聯(lián)的光源與傳播節(jié)點是一項瓶頸性的工作。硅芯片上的等離子體光源會開拓硅光互聯(lián)光源發(fā)展的一條新的途徑。另外，這種新型硅鐿量子面等離子體光源的發(fā)明對于推廣半導(dǎo)體照明具有重要的意義。
眾所周知，建立在硅基上的微電子信息產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá)，但是受尺寸與功耗的限制，摩爾定律已經(jīng)到了適用范圍的極限?？茖W(xué)家們試圖在硅基上建立起全新的光量子信息處理系統(tǒng)，取代現(xiàn)在的微電子信息系統(tǒng)，實現(xiàn)信息時代革命性的跨越。這里，我們要解決幾個關(guān)鍵性的問題，一是在什么材料上建立光量子信息處理系統(tǒng)，有些材料特別是半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)很好(例如砷化鎵半導(dǎo)體材料)，但是娃材料有很好的基礎(chǔ)且屬于環(huán)保材料，所以最終選擇在硅基上建立光量子信息處理系統(tǒng)。二是需要改進(jìn)硅材料的光學(xué)性質(zhì)，我們知道單晶硅的間接帶隙結(jié)構(gòu)致使硅材料的發(fā)光效率很低，而改進(jìn)硅材料的光學(xué)性質(zhì)的途徑主要是采用能帶工程，制備娃的低維納米結(jié)構(gòu)獲取準(zhǔn)直接帶隙結(jié)構(gòu)，如納米娃、多孔娃、鍺娃應(yīng)變層和納米氧化娃等材料。
令人振奮的是2000年L.Pavesi研究小組的工作實現(xiàn)了氧化硅中鑲嵌納米硅結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光的光學(xué)增益，這奠定了電栗浦和光栗浦全硅基相干光源的基礎(chǔ)。但是，歸納起來，國內(nèi)外近十年的研究工作仍存在問題:在上述材料的制備中存在諸多的不足，如多孔硅不易保存、發(fā)光不穩(wěn)定，納米硅和鍺硅應(yīng)變層的制備成本高(傳統(tǒng)的分子束外延(MBE)方法和化學(xué)氣相沉積(CVD)方法)、不易產(chǎn)業(yè)化等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是:提供一種新型硅鐿量子面等離子體光源及其制備方法，它解決了用低頻率栗浦高頻率發(fā)光的問題，提供了半導(dǎo)體照明的新光源和硅芯片光互聯(lián)的新光源，且易于產(chǎn)業(yè)化。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:新型硅鐿量子面等離子體光源，包括硅襯底，在硅襯底的上表面設(shè)有間隔分布的氧化硅薄膜，在每個氧化硅薄膜的頂面均設(shè)有一個形狀及大小對應(yīng)的鐿薄膜，同一組氧化硅薄膜及鐿薄膜組成一組硅鐿量子面。
在娃襯底的上表面設(shè)有間隔分布的Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)，在每一個Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)內(nèi)均設(shè)有一組由氧化硅薄膜及鐿薄膜組成的硅鐿量子面。
所述的PurcelI腔體陣列結(jié)構(gòu)中，PurcelI腔體的直徑為5-50 μ m，周期間隔為30-100 μmD
所述的氧化娃薄膜的厚度為3-10 nm，鐿薄膜的厚度為10-50 nm。
新型硅鐿量子面等離子體光源的制備方法，包括如下步驟
1)預(yù)處理:對單晶硅片進(jìn)行P型摻雜，形成電阻率2?20Ω.cm的硅片，用酒精和去離子水清潔表面，獲得硅襯底；
2)脈沖激光淀積:在步驟I)獲得的硅襯底表面采用脈沖激光淀積法，在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下制備氧化硅薄膜及鐿薄膜，形成硅鐿量子面等離子體光源結(jié)構(gòu)，獲得將加工好的單晶娃片；
3)高溫退火:將加工好的單晶硅片放入高溫退火爐，在氬氣氛圍中，保持1000°C高溫快速退火，獲得成品。
在進(jìn)行步驟2)的脈沖激光淀積前，先采用脈沖激光刻蝕法，在硅襯底的上表面刻蝕出Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)；然后再采用脈沖激光淀積法，在每個Purcell腔體內(nèi)制備氧化娃薄膜及鐿薄膜，形成硅鐿量子面等離子體光源結(jié)構(gòu)。
所述的脈沖激光淀積法中，脈沖激光的波長為355nm、脈寬80?100納秒、重復(fù)率1000 ?2000 次 / 秒。
所述的脈沖激光刻蝕法中，脈沖激光的的波長為1064nm、脈寬60?100納秒、重復(fù)率800?1200次/秒。
由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明采用在硅襯底上形成硅鐿量子面等離子體光源結(jié)構(gòu)，可以在低頻率栗浦光作用下發(fā)射較強(qiáng)的高頻率光子，其等離子體發(fā)光具有低頻率激發(fā)高頻率和球形發(fā)光的特征，實現(xiàn)了光栗浦在可見光區(qū)的等離子體強(qiáng)發(fā)光(外量子效率大于50%)和在1400nm到1600nm光通信波段的發(fā)光，其等離子體發(fā)光具有低頻率激發(fā)高頻率和球形發(fā)光的特征。本發(fā)明不同于半導(dǎo)體LED和LD光源的發(fā)光機(jī)理，具有全新的發(fā)光物理機(jī)理與模型，并采用了新的PLE-PLD復(fù)合納米制備方法及技術(shù)；解決了用低頻率栗浦高頻率發(fā)光的問題，提供了半導(dǎo)體照明的新光源和硅芯片光互聯(lián)的新光源，可以有很好的新型硅鐿等離子體光源應(yīng)用。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實施，成本低廉，使用效果好。
【附圖說明】，
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的檢測球形發(fā)光效果；
圖3為本發(fā)明的檢測等離子體光源在可見光的發(fā)光光譜。
【具體實施方式】，
本發(fā)明的實施例1:新型硅鐿量子面等離子體光源如圖所示，如圖中，傾斜向下的箭頭表示栗浦光，豎直的箭頭表示等離子體發(fā)光，包括硅襯底1，在硅襯底I的上表面設(shè)有間隔分布的Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)，在每一個Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)內(nèi)均設(shè)有一組由氧化娃薄膜2及鐿薄膜3組成的硅鐿量子面。所述的Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)中，Purcell腔體的直徑為10 μ m，周期間隔為50 μ m ;所述的氧化娃薄膜2的厚度為6nm，鐿薄膜3的厚度為15nm。
新型硅鐿量子面等離子體光源的制備方法，包括如下步驟
1)預(yù)處理:對單晶硅片進(jìn)行P型摻雜，形成電阻率2?20Ω.cm的硅片，用酒精和去離子水清潔表面，獲得硅襯底；
2)脈沖激光刻蝕:用LD栗浦的Nd:YAG固體激光器，采用聲光調(diào)Q獲取納秒脈沖激光；用KTP晶體實現(xiàn)角度匹配倍頻，在532nm波長激光束斑下調(diào)節(jié)基模出射，將匯聚透鏡放至合適位置，匯聚激光束斑到需要的線徑；調(diào)激光重復(fù)率至800?1200次/秒、脈寬60?100納秒，除掉倍頻鏡，在1064nm波長激光束下調(diào)節(jié)匯聚到硅表面上的功率密度至恰好產(chǎn)生白色等離子體輝光；將硅襯底固定于樣品臺上，通過三維微動定位系統(tǒng)對硅襯底實施精確到10nm的定位和掃描加工，在氬氣氛圍條件下，用60納秒脈寬的脈沖激光加工單晶硅片3秒鐘，再在氬氣氛圍中用100納秒脈寬的脈沖激光束照射單晶硅片8秒鐘，按要求尺度(直徑為10微米、周期間隔為50微米)刻蝕出Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)；
3)脈沖激光淀積:通過三維微動定位系統(tǒng)對PLE加工好的硅片實施精確到10nm的定位和掃描加工，在氬氣氛圍條件下，采用脈沖激光淀積，以波長為355nm、脈寬80?100納秒、重復(fù)率1000?2000次/秒的脈沖激光束作為PLD激光，在每個Purcell腔體內(nèi)制備出一層厚度為6nm的氧化硅薄膜，在氧化硅薄膜的表面再制備出厚度為15nm的鐿薄膜，它們共同組成硅鐿量子面結(jié)構(gòu)，形成硅鐿量子面等離子體光源結(jié)構(gòu)；
4)高溫退火:將加工好的單晶硅片放入高溫退火爐，在氬氣氛圍中，保持1000°C高溫快速退火，獲得成品。
將實施例制備獲得的產(chǎn)品進(jìn)行檢測，檢測球形發(fā)光效果如圖2所示，其中的(a)圖顯示為532nm波長激光驅(qū)動的等離子體光源球形發(fā)光，(b)圖顯示為1064nm波長激光驅(qū)動的等離子體光源球形發(fā)光；檢測等離子體光源在可見光的發(fā)光光譜如圖3)所示。根據(jù)圖2和圖3得知，該新型硅鐿量子面等離子體光源經(jīng)實驗證明可作為白光照明光源，用3瓦激光源驅(qū)動的照明效果超過40瓦白熾燈。
本發(fā)明所述并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出其他的實施方式，同樣屬于本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新范圍。顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)范圍內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種新型硅鐿量子面等離子體光源，包括硅襯底(I)，其特征在于:在硅襯底(I)的上表面設(shè)有間隔分布的氧化硅薄膜(2)，在每個氧化硅薄膜(2)的頂面均設(shè)有一個形狀及大小對應(yīng)的鐿薄膜(3)，同一組氧化硅薄膜(2)及鐿薄膜(3)組成一組硅鐿量子面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型硅鐿量子面等離子體光源，其特征在于:在硅襯底(I)的上表面設(shè)有間隔分布的Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)，在每一個Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)內(nèi)均設(shè)有一組由氧化硅薄膜(2)及鐿薄膜(3)組成的硅鐿量子面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型硅鐿量子面等離子體光源，其特征在于:所述的Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)中，Purcell腔體的直徑為5-50 μπι，周期間隔為30-100 μπι。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型硅鐿量子面等離子體光源，其特征在于:所述的氧化硅薄膜(2)的厚度為3 - 10 nm，鐿薄膜(3)的厚度為10 - 50 nm。5.一種如權(quán)利要求1所述的新型硅鐿量子面等離子體光源的制備方法，其特征在于:包括如下步驟 1)預(yù)處理:對單晶硅片進(jìn)行P型摻雜，形成電阻率2?20Ω.Cm的硅片，用酒精和去離子水清潔表面，獲得硅襯底； 2)脈沖激光淀積:在步驟I)獲得的硅襯底表面采用脈沖激光淀積法，在惰性氣體保護(hù)環(huán)境下制備氧化硅薄膜及鐿薄膜，形成硅鐿量子面等離子體光源結(jié)構(gòu)，獲得將加工好的單晶娃片； 3)高溫退火:將加工好的單晶硅片放入高溫退火爐，在氬氣氛圍中，保持1000°C高溫快速退火，獲得成品。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:在進(jìn)行步驟2)的脈沖激光淀積前，先采用脈沖激光刻蝕法，在硅襯底的上表面刻蝕出Purcell腔體陣列結(jié)構(gòu)；然后再采用脈沖激光淀積法，在每個Purcell腔體內(nèi)制備氧化硅薄膜及鐿薄膜，形成硅鐿量子面等離子體光源結(jié)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:所述的脈沖激光淀積法中，脈沖激光的波長為355nm、脈寬80?100納秒、重復(fù)率1000?2000次/秒。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述的脈沖激光刻蝕法中，脈沖激光的的波長為1064nm、脈寬60?100納秒、重復(fù)率800?1200次/秒。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型硅鐿量子面等離子體光源及其制備方法。本發(fā)明采用在硅襯底上形成硅鐿量子面等離子體光源結(jié)構(gòu)，可以在低頻率泵浦光作用下發(fā)射較強(qiáng)的高頻率光子，其等離子體發(fā)光具有低頻率激發(fā)高頻率和球形發(fā)光的特征，實現(xiàn)了光泵浦在可見光區(qū)的等離子體強(qiáng)發(fā)光（外量子效率大于50%）和在1400nm到1600nm光通信波段的發(fā)光，其等離子體發(fā)光具有低頻率激發(fā)高頻率和球形發(fā)光的特征。本發(fā)明不同于半導(dǎo)體LED和LD光源的發(fā)光機(jī)理，具有全新的發(fā)光物理機(jī)理與模型，并采用了新的PLE-PLD復(fù)合納米制備方法及技術(shù)；解決了用低頻率泵浦高頻率發(fā)光的問題，提供了半導(dǎo)體照明的新光源和硅芯片光互聯(lián)的新光源，可以有很好的新型硅鐿等離子體光源應(yīng)用。
【IPC分類】H01J9/00, H01J65/04
【公開號】CN105206502
【申請?zhí)枴緾N201510513274
【發(fā)明人】黃偉其
【申請人】貴州大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年8月20日