[發(fā)明專利]光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)射器件及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310254144.5
• 申請(qǐng)日: 2013-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN103346476A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 佟存柱;田思聰;汪麗杰;邢恩博;王立軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): H01S5/125
• 分類號(hào): H01S5/125;H01S5/343
• 代理公司: 長春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 南小平

1.光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)射器件，結(jié)構(gòu)包括：表面橫向二維光子晶體結(jié)構(gòu)（1）、上電極（2）、P型布拉格反射鏡（3）、光學(xué)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(huán)（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(xué)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(qū)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(jié)構(gòu)（1）在水平方向位于上電極（2）的內(nèi)側(cè)和量子環(huán)（9）的外側(cè)，由微納加工制成的空氣孔洞-半導(dǎo)體構(gòu)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(huán)（9）位于光學(xué)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(jié)構(gòu)（1）構(gòu)成的三維納腔中心。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)射器件，其特征在于，所述表面橫向二維光子晶體結(jié)構(gòu)（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(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)射器件，其特征在于，所述上電極（2）和下電極（8）通過標(biāo)準(zhǔn)金屬沉積程序制成，位置可以是上下結(jié)構(gòu)，也可以是共面電極結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)射器件，其特征在于，所述P型布拉格發(fā)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(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)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(gòu)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(gòu)成。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)射器件，其特征在于，表面橫向二維光子晶體結(jié)構(gòu)（1）內(nèi)部形成的諧振腔的腔模式波長與量子環(huán)（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(xué)厚度為量子環(huán)（9）增益波長的一半。

7.權(quán)利要求1所述的光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)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Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.1Ga_0.9As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(jù)單層光學(xué)厚度為1/4波長條件即nd=1/4λ確定，波長λ為量子環(huán)（9）的發(fā)光波長；

步驟二：生長光學(xué)厚度為1/4波長的Al_0.3Ga_0.7As，不摻雜，作為光學(xué)缺陷層（4）的下半部分；

步驟三：定位生長量子環(huán)（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(gè)方向周期性分布，濕法腐蝕在圓形圖形處形成一個(gè)個(gè)直徑為15-20nm、深約20nm的淺坑，作為量子環(huán)（9）生長的形核定位點(diǎn)；然后，通過液滴外延法生長GaAs自組織量子環(huán)（9），主要流程是，襯底（7）溫度降至設(shè)定的生長溫度，關(guān)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(huán)（9）；設(shè)定的生長溫度范圍是300-600°C；

步驟四：在生長后的量子環(huán)（9）上生長1/4波長的Al_0.3Ga_0.7As，不摻雜，作為光學(xué)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Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.8Ga_0.2As，p型摻雜濃度介于1×10¹⁷cm^-3到5×10¹⁷cm^-3之間，厚度根據(jù)單層光學(xué)厚度為1/4波長條件確定，波長為量子環(huán)（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(duì)版標(biāo)記，不被生長覆蓋；

步驟六：電子束曝光形成以中心點(diǎn)為對(duì)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(shù)>5，中間為保留的、無圖形的諧振腔，尺寸為1個(gè)周期；在上述圖形的基礎(chǔ)上，干法刻蝕形成空氣孔洞，與保留的半導(dǎo)體材料構(gòu)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)lift-off剝離工藝，露出出光孔區(qū)，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(jié)構(gòu)器件節(jié)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(fù)電壓，這樣形成了本發(fā)明電驅(qū)動(dòng)的光子晶體納腔量子環(huán)單光子發(fā)射器件。