專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面等離激元光子學(xué)與納電子學(xué)的交叉應(yīng)用領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法。
背景技術(shù)：
表面等離激兀是導(dǎo)體表面源于自由電子集體振蕩的電荷密度波與其電磁模聯(lián)合形成的一種傳播激發(fā)子。近十年來(lái)的研究表明，利用金屬納米結(jié)構(gòu)中表面等離激元所具有的獨(dú)特光學(xué)特性 能夠提高近場(chǎng)顯微鏡的分辨率，提升發(fā)光二極管的效率，以及在納米尺度實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)的調(diào)控、實(shí)現(xiàn)隱身等；并在包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、非線(xiàn)性光學(xué)、亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)、太陽(yáng)能電池等應(yīng)用研究領(lǐng)域提供了新的機(jī)遇。同時(shí)，表面等離激元為發(fā)展新型光子器件、寬帶通訊系統(tǒng)、尺度極小的微小光子回路、新型光學(xué)傳感器和測(cè)量技術(shù)提供了可能。為了能夠?qū)⒌入x激元的基礎(chǔ)研究成果運(yùn)用到實(shí)現(xiàn)中，人們需要研制出傳播損耗可以與傳統(tǒng)的波導(dǎo)相比擬的亞波長(zhǎng)尺寸的金屬線(xiàn)回路；研發(fā)基于表面等離激元的電光、全光和壓電調(diào)制器；研發(fā)深亞波長(zhǎng)的納米光刻蝕術(shù)等。納米尺度的表面等離激元激光器可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衍射極限的光學(xué)模式。通過(guò)改變金屬表面結(jié)構(gòu)，改變面等離激元的性質(zhì)，特別是與光的相互作用機(jī)制也將隨之變化。這種表面等離激元激光器為探索光與物質(zhì)極限相互作用提供了可能，也為表面等離激元眾多應(yīng)用提供了高性能的相干光源。因此，高效表面等離激元光源開(kāi)發(fā)是表面等離激元光子學(xué)眾多應(yīng)用的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用流過(guò)半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)的電流來(lái)泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，并且該方法使人們能通過(guò)電流譜來(lái)探測(cè)表面等離激元激發(fā)態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，包括第一步驟,用于制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),并且在離該半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面約1-1OOnm處形成二維電子氣；第二步驟，用于在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作納米金屬波導(dǎo)，所述納米金屬波導(dǎo)將作為泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子的光學(xué)微腔；第三步驟，用于在離表面等離激元波導(dǎo)平面距離1-1OOnm處制作半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在第三步驟中，在離表面等離激元波導(dǎo)平面距離1-1OOnm處制作控制量子點(diǎn)形狀和內(nèi)部能級(jí)間隔大小的金屬電極，并且對(duì)金屬電極通電后從而在半導(dǎo)體二維電子氣中形成了雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法還包括第四步驟，用于使形成半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的金屬電極連接外部電路。優(yōu)選地，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)為以GaAs/AlGaA異質(zhì)結(jié)。優(yōu)選地，二維電子氣的電子遷移率為SXlO5CmW,電子密度為lX10ncm_2。優(yōu)選地，在第二步驟中利用平板工藝技術(shù)制作納米金屬波導(dǎo)。優(yōu)選地，第二步驟中表面等離激元光學(xué)微腔為金、銀、銅或鋁材質(zhì)的金屬納米波導(dǎo)。優(yōu)選地，表面等離激元波導(dǎo)與半導(dǎo)體之間設(shè)置了1-1OOnm厚的介質(zhì)層。
本發(fā)明制作隧穿耦合雙量子點(diǎn)和由金屬制成的表面等離激元波導(dǎo)光學(xué)微腔，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光?；诒景l(fā)明的表面等離激元激光產(chǎn)生辦法能通過(guò)電流探測(cè)表面等離激元激光態(tài)，具有探測(cè)方便、器件形貌簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、易與外部電路集成等特點(diǎn)。


結(jié)合附圖，并通過(guò)參考下面的詳細(xì)描述，將會(huì)更容易地對(duì)本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點(diǎn)和特征，其中圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法的流程圖。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法的示意圖。需要說(shuō)明的是，附圖用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類(lèi)似的元件標(biāo)有相同或者類(lèi)似的標(biāo)號(hào)。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明利用表面等離激元的亞波長(zhǎng)局域特性實(shí)現(xiàn)表面等離激元波導(dǎo)微腔與半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)耦合，通過(guò)調(diào)整半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得流過(guò)半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)的電流能在波導(dǎo)微腔中泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子。具體地說(shuō)，圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法的流程圖。更具體地說(shuō)，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法包括第一步驟SI,用于制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，并且在離該半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面約1-1OOnm處形成二維電子氣。例如，在具體實(shí)施例中，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)為以GaAs/AlGaA異質(zhì)結(jié)。而且，例如，在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)為以GaAs/AlGaA異質(zhì)結(jié)的情況下，該二維電子氣的電子遷移率大約為5 X IO5Cm2Vis_\電子密度大約為I X IO11cnT2。第二步驟S2，用于在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作納米金屬波導(dǎo)，該納米金屬波導(dǎo)將作為泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子的光學(xué)微腔。例如，優(yōu)選地，可利用平板工藝技術(shù)制作納米金屬波導(dǎo)。第三步驟S3，用于在離表面等離激元波導(dǎo)平面距離1-1OOnm處制作半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，在具體實(shí)施例中，在第三步驟S3中，可以在離表面等離激元波導(dǎo)平面距離1-1OOnm處制作控制量子點(diǎn)形狀和內(nèi)部能級(jí)間隔大小的金屬電極，并且對(duì)金屬電極通電后從而在半導(dǎo)體二維電子氣中形成了雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，可以在半導(dǎo)體表面制作用于控制量子點(diǎn)形狀和內(nèi)部能級(jí)間隔大小等性質(zhì)的金屬電極，這些金屬電極通電后就在半導(dǎo)體二維電子氣中形成了雙量子點(diǎn)。第四步驟S4，用于使形成半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的金屬電極連接外部電路，由此整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)半導(dǎo)體芯片。其中，進(jìn)一步，在具體實(shí)施例中，第二步驟S2中表面等離激元光學(xué)微腔優(yōu)選地為金、銀、銅、鋁等材質(zhì)的金屬納米波導(dǎo)。進(jìn)一步，在具體實(shí)施例中，表面等離激元波導(dǎo)與半導(dǎo)體之間可視具體情況設(shè)置1-1OOnm厚的介質(zhì)層。具體地說(shuō)，圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法的不意圖。其中，參考標(biāo)號(hào)I表不金屬電極AG,參考標(biāo)號(hào)2表不金屬電極BG,參考標(biāo)號(hào)3表不金屬電極CG,參考標(biāo)號(hào)4表不半導(dǎo)體量子點(diǎn)A,參考標(biāo)號(hào)5表不半導(dǎo)體量子點(diǎn)B,參考標(biāo)號(hào)6表表面等離激兀波導(dǎo)微腔。圖2中帶有箭頭的曲線(xiàn)為電流，箭頭代表流向。注意，圖2中金屬電極的形狀只做參考。例如，參考圖2，具體示例中，采用平板半導(dǎo)體工藝，以GaAs/AlGaAs等材料制作異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生二維電子氣。在半導(dǎo)體表面以金、銀、銅、鋁等材質(zhì)制備金屬納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用作表面等離激元光學(xué)微腔。在金屬納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)附近制作金屬電極，通電后形成半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。調(diào)整金屬電極AG、BG、CG上的電壓使得雙量子點(diǎn)內(nèi)只有兩個(gè)單電子態(tài)在導(dǎo)電偏壓窗口內(nèi)。并且，調(diào)整金屬電極CG上的電壓可以控制控制ε、τ以及6叫的大小，進(jìn)而控制頻率失諧值Λ = ω(Γω3ρ。為提高效率，調(diào)整表面等離激元金屬納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與量子點(diǎn)間的距離，使其耦合強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。由此，在本發(fā)明中，泵浦源是流過(guò)由半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)形成的雙量子點(diǎn)的電流，而其附近的金屬納米波導(dǎo)作為表面等離激元光學(xué)微腔。雙量子點(diǎn)由外加電壓偏置，在其內(nèi)部形成三個(gè)電荷態(tài)，分別為作為基準(zhǔn)的空電子態(tài)(即兩個(gè)量子點(diǎn)中激發(fā)電子數(shù)均為零)和兩個(gè)單電子態(tài)(即雙量子點(diǎn)系統(tǒng)中只有一個(gè)激發(fā)電子，居于上或下邊量子點(diǎn)中)。兩個(gè)單電子態(tài)能極差為ε，兩量子點(diǎn)通過(guò)耦合強(qiáng)度為τ的點(diǎn)間相干隧穿機(jī)制耦合。因此，雙量子點(diǎn)系統(tǒng)電
子本征態(tài)能極差為V777。金屬納米波導(dǎo)微腔可以支持表面等離激元模式，頻率為
ω3ρ0表面等離激元微腔與兩個(gè)量子點(diǎn)電容性耦合，耦合強(qiáng)度因距離不同而不同。通過(guò)調(diào)整金屬電極上的電壓可以控制ε、τ以及的大小，進(jìn)而控制頻率失諧值Λ = COc1-COsi^要實(shí)現(xiàn)激光產(chǎn)生，Δ值必須要很小。雙量子點(diǎn)內(nèi)部只有兩個(gè)單電子態(tài)在兩導(dǎo)電極上的偏置電壓窗口內(nèi)，電子依次隧穿經(jīng)過(guò)兩個(gè)量子點(diǎn)和兩導(dǎo)電極構(gòu)成導(dǎo)電電流，形成空電子態(tài)一單電子態(tài)I—單電子態(tài)2 —空電子態(tài)的非平衡態(tài)變化。泵浦電流使得在兩單電子態(tài)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，與雙量子點(diǎn)耦合的波導(dǎo)微腔內(nèi)由于強(qiáng)耦合作用激發(fā)出表面等離激元光子。在雙量子點(diǎn)電流1-ε譜中有兩個(gè)共振峰，其中非常窄的共振峰就是由于激發(fā)表面等離激元光子而形成的，可以作為產(chǎn)生等離激元光子的表征。綜上所述，本發(fā)明上述實(shí)施例公開(kāi)了一種基于半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其中采用平板半導(dǎo)體工藝，以GaAs/AlGaAs等材料制作異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生二維電子氣；在半導(dǎo)體表面以金、銀、銅、鋁等材質(zhì)制備金屬納米波導(dǎo)為表面等離激元光學(xué)微腔；在微腔附近制作金屬電極，通電后形成半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)；調(diào)整各金屬電極上的電壓可以控制半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得流過(guò)半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)的電流能在波導(dǎo)微腔中泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子。由此，本發(fā)明上述實(shí)施例采用平板半導(dǎo)體工藝制作隧穿耦合雙量子點(diǎn)和由金屬制成的表面等離激元波導(dǎo)光學(xué)微腔，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光?；诒景l(fā)明的表面等離激元激光產(chǎn)生辦法能通過(guò)電流探測(cè)表面等離激元激光態(tài)，具有探測(cè)方便、器件形貌簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、易與外部電路集成等特點(diǎn)。此外，需要說(shuō)明的是，除非特別說(shuō)明或者指出，否則說(shuō)明書(shū)中的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第 二”、“第三”等描述僅僅用于區(qū)分說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個(gè)組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等。可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其特征在于包括第一步驟，用于制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，并且在離該半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面約1-1OOnm處形成二維電子氣；第二步驟，用于在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作納米金屬波導(dǎo)，所述納米金屬波導(dǎo)將作為泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子的光學(xué)微腔；第三步驟，用于在離表面等離激元波導(dǎo)平面距離1-1OOnm處制作半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其特征在于，在第三步驟中，在離表面等離激元波導(dǎo)平面距離1-1OOnm處制作控制量子點(diǎn)形狀和內(nèi)部能級(jí)間隔大小的金屬電極，并且對(duì)金屬電極通電后從而在半導(dǎo)體二維電子氣中形成了雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其特征在于還包括第四步驟，用于使形成半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的金屬電極連接外部電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其特征在于，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)為以GaAs/AlGaA異質(zhì)結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其特征在于，二維電子氣的電子遷移率為SXlO5CmW1,電子密度為I X IO11CnT2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其特征在于，在第二步驟中利用平板工藝技術(shù)制作納米金屬波導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其特征在于，第二步驟中表面等離激元光學(xué)微腔為金、銀、銅或鋁材質(zhì)的金屬納米波導(dǎo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，其特征在于，表面等離激元波導(dǎo)與半導(dǎo)體之間設(shè)置了1-1OOnm厚的介質(zhì)層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，包括采用平板半導(dǎo)體工藝，以GaAs/AlGaAs等材料制作異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生二維電子氣；在半導(dǎo)體表面以金、銀、銅、鋁等材質(zhì)制備金屬納米波導(dǎo)為表面等離激元光學(xué)微腔；在微腔附近制作金屬電極，通電后形成半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)；調(diào)整各金屬電極上的電壓可以控制半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得流過(guò)半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)的電流能在波導(dǎo)微腔中泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的表面等離激元激光產(chǎn)生辦法能通過(guò)電流探測(cè)表面等離激元激光態(tài)，具有探測(cè)方便、器件形貌簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、易與外部電路集成等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S5/10GK103022899SQ20121055331
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者鐘旭 申請(qǐng)人:上海電機(jī)學(xué)院