[發明專利]光子晶體納腔量子環單光子發射器件及其制備方法有效
| 申請號： | 201310254144.5 | 申請日： | 2013-06-24 |
| 公開（公告）號： | CN103346476A | 公開（公告）日： | 2013-10-09 |
| 發明（設計）人： | 佟存柱;田思聰;汪麗杰;邢恩博;王立軍 | 申請（專利權）人： | 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 |
| 主分類號： | H01S5/125 | 分類號： | H01S5/125;H01S5/343 |
| 代理公司： | 長春菁華專利商標代理事務所 22210 | 代理人： | 南小平 |
| 地址： | 130033 吉*** | 國省代碼： | 吉林;22 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 光子 晶體 納腔量 子環 發射 器件 及其 制備 方法 | ||
1.光子晶體納腔量子環單光子發射器件，結構包括：表面橫向二維光子晶體結構（1）、上電極（2）、P型布拉格反射鏡（3）、光學缺陷層（4）、N型布拉格反射鏡（5）、緩沖層（6）、襯底（7）、下電極（8）和量子環（9）；其特征是，在襯底（7）上依次生長緩沖層（6）、N型布拉格反射鏡（5）、光學缺陷層（4）和P型布拉格反射鏡（3），上電極（2）生長在P型布拉格反射鏡（3）上表面周邊區域，下電極（8）生長在襯底（7）下面；
所述表面橫向二維光子晶體結構（1）在水平方向位于上電極（2）的內側和量子環（9）的外側，由微納加工制成的空氣孔洞-半導體構成，空氣孔洞垂直向下穿過P型布拉格反射鏡（3）至N型布拉格反射鏡（5）；
所述量子環（9）位于光學缺陷層（4）中間，并且位于P型布拉格反射鏡（3）、N型布拉格反射鏡（5）和橫向二維光子晶體結構（1）構成的三維納腔中心。
2.根據權利要求1所述的光子晶體納腔量子環單光子發射器件，其特征在于，所述表面橫向二維光子晶體結構（1）中空氣孔洞垂直向下深度到N型布拉格反射鏡（5）的任意層。
3.根據權利要求1所述的光子晶體納腔量子環單光子發射器件，其特征在于，所述上電極（2）和下電極（8）通過標準金屬沉積程序制成，位置可以是上下結構，也可以是共面電極結構。
4.根據權利要求1所述的光子晶體納腔量子環單光子發射器件，其特征在于，所述P型布拉格發射鏡（3）的反射率小于N型布拉格反射鏡（5）的反射率。
5.根據權利要求1所述的光子晶體納腔量子環單光子發射器件，其特征在于，N型布拉格反射鏡（5）為與襯底（7）材料晶格匹配的兩種不同折射率材料交替構成；P型布拉格反射鏡（3）可以是由晶格匹配折射率材料或介電材料構成。
6.根據權利要求1所述的光子晶體納腔量子環單光子發射器件，其特征在于，表面橫向二維光子晶體結構（1）內部形成的諧振腔的腔模式波長與量子環（9）的增益波長相一致，P型布拉格反射鏡（3）與N型布拉格反射鏡（5）之間的光學厚度為量子環（9）增益波長的一半。
7.權利要求1所述的光子晶體納腔量子環單光子發射器件的制備方法，其特征是，包括以下步驟：
步驟一：在襯底（7）上生長Si摻雜的GaAs，作為緩沖層（6）；然后生長N型布拉格反射鏡（5），即在緩沖層（6）上交替生長Al0.9Ga0.1As和Al0.1Ga0.9As材料，N型布拉格反射鏡（5）的反射率>95%，N型布拉格反射鏡（5）厚度根據單層光學厚度為1/4波長條件即nd=1/4λ確定，波長λ為量子環（9）的發光波長；
步驟二：生長光學厚度為1/4波長的Al0.3Ga0.7As，不摻雜，作為光學缺陷層（4）的下半部分；
步驟三：定位生長量子環（9），具體方法是自組織生長，首先，在步驟二后的樣品表面電子束曝光形成直徑15-20nm的圓形圖形，圓形圖形可以按照周期為1μm距離沿表面x-y兩個方向周期性分布，濕法腐蝕在圓形圖形處形成一個個直徑為15-20nm、深約20nm的淺坑，作為量子環（9）生長的形核定位點；然后，通過液滴外延法生長GaAs自組織量子環（9），主要流程是，襯底（7）溫度降至設定的生長溫度，關閉As源，1分鐘后沉積Ga液滴于樣品表面，然后在As氛圍下退火形成GaAs量子環（9）；設定的生長溫度范圍是300-600°C；
步驟四：在生長后的量子環（9）上生長1/4波長的Al0.3Ga0.7As，不摻雜，作為光學缺陷層（4）的上半部分；
步驟五：生長P型布拉格反射鏡（3），交替生長Al0.9Ga0.1As和Al0.8Ga0.2As，p型摻雜濃度介于1×1017cm-3到5×1017cm-3之間，厚度根據單層光學厚度為1/4波長條件確定，波長為量子環（9）的增益波長，然后生長厚度>50nm的p型高摻雜GaAs，用作電極接觸，摻雜濃度>2×1018cm-3，外延樣品邊緣留有對版標記，不被生長覆蓋；
步驟六：電子束曝光形成以中心點為對稱的光子晶體微腔圖形，圖形周期a>100nm，空氣孔洞的半徑為0.28a，周期數>5，中間為保留的、無圖形的諧振腔，尺寸為1個周期；在上述圖形的基礎上，干法刻蝕形成空氣孔洞，與保留的半導體材料構成二維光子晶體；
步驟七：在步驟六后的樣品上表面勻膠，光刻機曝光顯影，在光刻膠上形成電極圖案，帶光刻膠沉積Ti-Au，形成上電極（2）；采用標準lift-off剝離工藝，露出出光孔區，然后襯底（7）減薄，沉積AuGeNi，形成下電極（8）；
步驟八：將上述形成的周期結構器件節理形成單元器件，焊接于熱沉上，并壓焊引線于上電極（2）上，用于加正向電壓，下電極（8）與熱沉相連，用于加負電壓，這樣形成了本發明電驅動的光子晶體納腔量子環單光子發射器件。
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