專利名稱：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與納電子學的交叉應(yīng)用領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種半導體雙量子點電流泵浦產(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特光學特性 能夠提高近場顯微鏡的分辨率，提升發(fā)光二極管的效率，以及在納米尺度實現(xiàn)電磁場的調(diào)控、實現(xiàn)隱身等；并在包括數(shù)據(jù)存儲、非線性光學、亞波長結(jié)構(gòu)波導、太陽能電池等應(yīng)用研究領(lǐng)域提供了新的機遇。同時，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、新型光學傳感器和測量技術(shù)提供了可能。為了能夠?qū)⒌入x激元的基礎(chǔ)研究成果運用到實現(xiàn)中，人們需要研制出傳播損耗可以與傳統(tǒng)的波導相比擬的亞波長尺寸的金屬線回路；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遠小于衍射極限的光學模式。通過改變金屬表面結(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發(fā)是表面等離激元光子學眾多應(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半導體雙量子點的電流來泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法，并且該方法使人們能通過電流譜來探測表面等離激元激發(fā)態(tài)。為了實現(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,用于制備半導體異質(zhì)結(jié),并且在離該半導體異質(zhì)結(jié)表面約1-1OOnm處形成二維電子氣；第二步驟，用于在半導體異質(zhì)結(jié)表面制作納米金屬波導，所述納米金屬波導將作為泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子的光學微腔；第三步驟，用于在離表面等離激元波導平面距離1-1OOnm處制作半導體雙量子點結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在第三步驟中，在離表面等離激元波導平面距離1-1OOnm處制作控制量子點形狀和內(nèi)部能級間隔大小的金屬電極，并且對金屬電極通電后從而在半導體二維電子氣中形成了雙量子點結(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，用于使形成半導體雙量子點結(jié)構(gòu)的金屬電極連接外部電路。優(yōu)選地，半導體異質(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。優(yōu)選地，第二步驟中表面等離激元光學微腔為金、銀、銅或鋁材質(zhì)的金屬納米波導。優(yōu)選地，表面等離激元波導與半導體之間設(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和由金屬制成的表面等離激元波導光學微腔，實現(xiàn)了半導體雙量子點電流泵浦產(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)生辦法能通過電流探測表面等離激元激光態(tài)，具有探測方便、器件形貌簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、易與外部電路集成等特點。


結(jié)合附圖，并通過參考下面的詳細描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點和特征，其中圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的電流泵浦產(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。需要說明的是，附圖用于說明本發(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，相同或者類似的元件標有相同或者類似的標號。
具體實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)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi)容進行詳細描述。本發(fā)明利用表面等離激元的亞波長局域特性實現(xiàn)表面等離激元波導微腔與半導體雙量子點耦合，通過調(diào)整半導體雙量子點內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得流過半導體雙量子點的電流能在波導微腔中泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子。具體地說，圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法的流程圖。更具體地說，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法包括第一步驟SI,用于制備半導體異質(zhì)結(jié)，并且在離該半導體異質(zhì)結(jié)表面約1-1OOnm處形成二維電子氣。例如，在具體實施例中，半導體異質(zhì)結(jié)為以GaAs/AlGaA異質(zhì)結(jié)。而且，例如，在半導體異質(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，用于在半導體異質(zhì)結(jié)表面制作納米金屬波導，該納米金屬波導將作為泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子的光學微腔。例如，優(yōu)選地，可利用平板工藝技術(shù)制作納米金屬波導。第三步驟S3，用于在離表面等離激元波導平面距離1-1OOnm處制作半導體雙量子點結(jié)構(gòu)。具體地說，在具體實施例中，在第三步驟S3中，可以在離表面等離激元波導平面距離1-1OOnm處制作控制量子點形狀和內(nèi)部能級間隔大小的金屬電極，并且對金屬電極通電后從而在半導體二維電子氣中形成了雙量子點結(jié)構(gòu)。也就是說，可以在半導體表面制作用于控制量子點形狀和內(nèi)部能級間隔大小等性質(zhì)的金屬電極，這些金屬電極通電后就在半導體二維電子氣中形成了雙量子點。第四步驟S4，用于使形成半導體雙量子點結(jié)構(gòu)的金屬電極連接外部電路，由此整個系統(tǒng)形成一個半導體芯片。其中，進一步，在具體實施例中，第二步驟S2中表面等離激元光學微腔優(yōu)選地為金、銀、銅、鋁等材質(zhì)的金屬納米波導。進一步，在具體實施例中，表面等離激元波導與半導體之間可視具體情況設(shè)置1-1OOnm厚的介質(zhì)層。具體地說，圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的電流泵浦產(chǎn)生表面等離激元激光的方法的不意圖。其中，參考標號I表不金屬電極AG,參考標號2表不金屬電極BG,參考標號3表不金屬電極CG,參考標號4表不半導體量子點A,參考標號5表不半導體量子點B,參考標號6表表面等離激兀波導微腔。圖2中帶有箭頭的曲線為電流，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。在半導體表面以金、銀、銅、鋁等材質(zhì)制備金屬納米波導結(jié)構(gòu)，用作表面等離激元光學微腔。在金屬納米波導結(jié)構(gòu)附近制作金屬電極，通電后形成半導體雙量子點結(jié)構(gòu)。調(diào)整金屬電極AG、BG、CG上的電壓使得雙量子點內(nèi)只有兩個單電子態(tài)在導電偏壓窗口內(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結(jié)構(gòu)與量子點間的距離，使其耦合強度達到最強。由此，在本發(fā)明中，泵浦源是流過由半導體異質(zhì)結(jié)形成的雙量子點的電流，而其附近的金屬納米波導作為表面等離激元光學微腔。雙量子點由外加電壓偏置，在其內(nèi)部形成三個電荷態(tài)，分別為作為基準的空電子態(tài)(即兩個量子點中激發(fā)電子數(shù)均為零)和兩個單電子態(tài)(即雙量子點系統(tǒng)中只有一個激發(fā)電子，居于上或下邊量子點中)。兩個單電子態(tài)能極差為ε，兩量子點通過耦合強度為τ的點間相干隧穿機制耦合。因此，雙量子點系統(tǒng)電
子本征態(tài)能極差為V777。金屬納米波導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量子點電容性耦合，耦合強度因距離不同而不同。通過調(diào)整金屬電極上的電壓可以控制ε、τ以及的大小，進而控制頻率失諧值Λ = COc1-COsi^要實現(xiàn)激光產(chǎn)生，Δ值必須要很小。雙量子點內(nèi)部只有兩個單電子態(tài)在兩導電極上的偏置電壓窗口內(nèi)，電子依次隧穿經(jīng)過兩個量子點和兩導電極構(gòu)成導電電流，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)，與雙量子點耦合的波導微腔內(nèi)由于強耦合作用激發(fā)出表面等離激元光子。在雙量子點電流1-ε譜中有兩個共振峰，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)明上述實施例公開了一種基于半導體雙量子點電流泵浦產(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；在半導體表面以金、銀、銅、鋁等材質(zhì)制備金屬納米波導為表面等離激元光學微腔；在微腔附近制作金屬電極，通電后形成半導體雙量子點；調(diào)整各金屬電極上的電壓可以控制半導體雙量子點內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得流過半導體雙量子點的電流能在波導微腔中泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子。由此，本發(fā)明上述實施例采用平板半導體工藝制作隧穿耦合雙量子點和由金屬制成的表面等離激元波導光學微腔，實現(xiàn)半導體雙量子點電流泵浦產(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)生辦法能通過電流探測表面等離激元激光態(tài)，具有探測方便、器件形貌簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、易與外部電路集成等特點。此外，需要說明的是，除非特別說明或者指出，否則說明書中的術(shù)語“第一”、“第 二”、“第三”等描述僅僅用于區(qū)分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等?？梢岳斫獾氖?，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(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)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。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)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、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，用于制備半導體異質(zhì)結(jié)，并且在離該半導體異質(zhì)結(jié)表面約1-1OOnm處形成二維電子氣；第二步驟，用于在半導體異質(zhì)結(jié)表面制作納米金屬波導，所述納米金屬波導將作為泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子的光學微腔；第三步驟，用于在離表面等離激元波導平面距離1-1OOnm處制作半導體雙量子點結(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平面距離1-1OOnm處制作控制量子點形狀和內(nèi)部能級間隔大小的金屬電極，并且對金屬電極通電后從而在半導體二維電子氣中形成了雙量子點結(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，用于使形成半導體雙量子點結(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。
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微腔為金、銀、銅或鋁材質(zhì)的金屬納米波導。
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，表面等離激元波導與半導體之間設(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；在半導體表面以金、銀、銅、鋁等材質(zhì)制備金屬納米波導為表面等離激元光學微腔；在微腔附近制作金屬電極，通電后形成半導體雙量子點；調(diào)整各金屬電極上的電壓可以控制半導體雙量子點內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得流過半導體雙量子點的電流能在波導微腔中泵浦產(chǎn)生表面等離激元光子。本發(fā)明實現(xiàn)的表面等離激元激光產(chǎn)生辦法能通過電流探測表面等離激元激光態(tài)，具有探測方便、器件形貌簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、易與外部電路集成等特點。
文檔編號H01S5/10GK103022899SQ20121055331
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者鐘旭 申請人:上海電機學院