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一种纳米 等离子体阵列 激光器及其制作方法

阅读：0发布：2021-05-31

专利汇可以提供一种纳米等离子体阵列激光器及其制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种纳米等离子体阵列激光器及其制作方法，属于光学技术领域。本发明利用电泵浦半导体纳米线 p-n结阵列激发的光子和表面金属-介质膜的相互作用产生表面等离子体激元(SPP)，进而对纳米线谐振腔中产生的光子束进行约束调控。本发明结合半导体纳米结构几何限制和表面等离子体模场对光束限制约束的双重优点，利用半导体纳米线实现工作物质和谐振腔的集成以及表面等离子体实现模场约束，最终形成半导体纳米等离子体激光器。，下面是一种纳米等离子体阵列激光器及其制作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种纳米等离子体阵列激光器，包括ITO 电极(1)、开设有通孔阵列的绝缘介质层(3)、半导体衬底(4)及金属电极(5)，所述绝缘介质层(3)设置于半导体衬底(4)上表面，其特征在于，所述每一个通孔上均生长有半导体材料纳米线(203)，由此构成纳米线阵列(2)，所述半导体纳米线(203)底端与半导体衬底(4)直接相连，金属电极(5)设于半导体衬底(4)上且不与绝缘介质层(3)接触，所述半导体材料纳米线(203)侧面由内至外依次覆盖有绝缘介质薄膜层(202)和金属薄膜(201)；所述纳米线阵列(2)的顶端与ITO电极(1)的底面直接相连；ITO电极(1)上表面设有微透镜阵列(7)，用于将纳米线阵列中每根纳米线顶端发射的激光会聚准直。
2.根据权利要求1所述的纳米等离子体阵列激光器，其特征在于，所述绝缘介质层(3)开设的通孔阵列为圆形并呈六角密排阵列排布，通孔直径为100-300nm。
3.根据权利要求2所述的纳米等离子体阵列激光器，其特征在于，所述半导体材料纳米线(203)为ZnO纳米线，其长度为1-20μm，所述绝缘介质薄膜层(202)为SiO2薄膜层，其厚度为5-30nm，所述金属薄膜(201)为Ag薄膜，其厚度为10-70nm。
4.根据权利要求1所述的纳米等离子体阵列激光器，其特征在于，所述金属电极(5)为金(Au)电极或银(Ag)电极。
5.如权利要求1所述的纳米等离子体阵列激光器的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤1.衬底的加工制备：在半导体衬底(4)上溅射一层绝缘介质层(3)，使用电子束蚀刻技术(EBL)将绝缘介质层(3)刻蚀出孔洞阵列结构，刻蚀深度为绝缘介质层(3)的厚度；
步骤2.半导体材料纳米线的生长制备：采用化学气相沉积法(CVD)，在绝缘介质层(3)的孔洞上生长半导体材料纳米线(203)；
步骤3.溅射镀膜：采用磁控溅射工艺，在每根半导体材料纳米线(203)的侧面由内向外依次溅射一层绝缘介质薄膜层(202)和一层金属薄膜(201)；
步骤4.电极工艺：采用磁控溅射工艺，在由半导体材料纳米线(203)构成的纳米线阵列(2)的顶端溅射一层ITO电极(1)，在半导体衬底(4)上蒸镀金属电极(5)，所述金属电极(5)不与绝缘介质层(3)接触；
步骤5.微透镜阵列光束合成：在ITO电极(1)的上面盖上一块ITO玻璃，ITO玻璃的导电面与步骤4中溅射的ITO电极相接触；在ITO玻璃的非导电面上，采用光刻工艺刻蚀成微透镜阵列(7)。

说明书全文

一种纳米等离子体阵列 激光器及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于光学技术领域，具体涉及一种纳米等离子体阵列激光器及其制作方法。

背景技术

[0002] 自从50年前第一台激光器产生以来，一些新的纳米技术把微型激光器提高到一个新的领域，掀起了纳米激光器的研究热潮。目前，广泛应用的纳米激光器主要有光泵浦纳米等离子体激光器和电泵浦半导体纳米线阵列激光器。

[0003] 光泵浦纳米等离子体激光器由单根半导体硫化镉(CdS)纳米线横置于金属-介质复合膜上构成纳米等离子体激光器，通过脉冲激光泵浦实现激光发射；由于纳米线-复合膜界面的纳米级缝隙实现表面等离子体局域场增强效应进行等离子体-光混合泵浦，实现在纳米线端面激光发射，激发光模式受到表面等离子体的限制增强作用已突破衍射极限。但是，其有以下缺点：1)纳米线为单根，限制了激光器的功率；2)泵浦方式为脉冲激光泵浦，实际应用时会大大增加激光器的尺寸；3)工作温度为小于10K的超低温，不利于实际应用。

[0004] 电泵浦半导体纳米线阵列激光器制作过程是：衬底上制备n型氧化锌(ZnO)薄膜，在n型ZnO薄膜上生长掺杂锑(Sb)元素的p型ZnO纳米线(六角棱柱)阵列，室温下，在衬底和纳米线顶端分别制作电极进行电泵浦，激光从纳米线顶端发射；其缺点也十分明显：1)生长纳米线阵列无规则，不利于光束的合成和功率的合成；2)未进行光束合成，未完成激光器的封装，没有形成器件。

[0005] 基于氧化锌、硫化镉等材料的纳米激光器研究引起科学家广泛关注，通过引入半导体纳米线或纳米阵列，已经使微型激光器和纳米激光器达到衍射极限的水平，但由于衍射极限的存在，限制了半导体纳米激光器的最小尺寸。为了突破衍射极限的限制，近年来兴起的基于表面等离子体技术的研究在克服这种限制的方面取得了很大的进展，逐渐成为研究热点。

[0006] 纳米等离子体激光器集合了半导体纳米激光器的几何限制和等离子体激光器中表面等离子体模场限制突破衍射极限的双重优点，利用半导体纳米线实现工作物质和谐振腔的集成，表面等离子体可突破光学衍射极限，因此纳米等离子体激光器具有体积小，单色性、方向性好，工作效率高，能量阈值低和响应时间短等优点，将广泛应用于军事领域如微小飞行器姿态调控、激光陀螺、激光制导跟踪、激光引信、激光通信和激光测距等，民用生活领域如超薄显示中的激光点阵光源等。

发明内容

[0007] 本发明目的是提供一种规则阵列、高功率、低阈值、室温下电泵浦纳米等离子体激光器。

[0008] 本发明利用电泵浦发射的光子和表面金属介质薄膜的作用所激发的表面等离子体激元(SPP)，对半导体纳米线中产生的光子束进行约束调控，具体采用如下技术方案：

[0009] 本发明提供一种纳米等离子体阵列激光器，其结构如图1所示，图2是其结构拆分示意图，包括ITO(Indium Tin Oxide)电极1、开设有通孔阵列的绝缘介质层3、半导体衬底4及金属电极5，所述绝缘介质层3设置于半导体衬底4上表面，所述每一个通孔上均生长有半导体材料纳米线203，半导体纳米线203底端与半导体衬底4直接相连；所述半导体材料纳米线203侧面由内至外依次覆盖有绝缘介质薄膜202和金属薄膜201，其横截面如图3所示，由此构成纳米线阵列2；所述纳米线阵列2顶端与ITO电极1的底面直接相连；ITO电极1上表面设有微透镜阵列7，用于将纳米线阵列中每根纳米线顶端发射的激光会聚准直；
纳米线阵列2的顶端被微透镜阵列7完全覆盖；金属电极5设于半导体衬底4上且不与绝缘介质层3接触；使用时，将金属电极5与ITO电极1分别连至电源6的两端，当电流达到阈值时，即可发射激光。

[0010] 所述半导体材料纳米线203的长度为1-20μm。

[0011] 所述绝缘介质薄膜202的厚度为5-30nm。

[0012] 所述金属薄膜201的厚度为10-70nm。

[0013] 进一步的，所述绝缘介质层3开设的通孔为圆形并呈六角密排阵列排布，如图4所示，通孔直径为100-300nm。

[0014] 本发明还提供所述纳米等离子体阵列激光器的制作方法，具体包括以下步骤：

[0015] 步骤1.衬底的加工制备：

[0016] 在半导体衬底4上溅射一层绝缘介质层3，使用电子束蚀刻技术(EBL)将绝缘介质层3 刻蚀出孔洞阵列结构，刻蚀深度为绝缘介质层3厚度即刚好刻蚀穿绝缘介质层3；

[0017] 步骤2.半导体材料纳米线的生长制备：

[0018] 采用化学气相沉积法(CVD)，在绝缘介质层3的孔洞上生长半导体材料纳米线203；

[0019] 步骤3.溅射镀膜：

[0020] 采用磁控溅射工艺，在每根半导体材料纳米线203的侧面由内向外依次溅射一层绝缘介质薄膜层202及金属薄膜201；金属薄膜201的作用是光激发产生表面等离子体实现对光场的反馈和调控，绝缘介质薄膜层202的作用是防止金属薄膜201与半导体衬底4接触导致纳米线顶端和衬底间的电极短路；

[0021] 步骤4.电极工艺：

[0022] 采用磁控溅射工艺，在由半导体材料纳米线203构成的纳米线阵列2的顶端溅射一层ITO电极1，在报道提衬底4上蒸镀金属电极5，例如银(Ag)或金(Au)电极，所述金属电极5不与绝缘介质层3接触；

[0023] 步骤5.微透镜阵列光束合成：

[0024] 在ITO电极的上面盖上一块ITO玻璃，ITO玻璃的导电面与步骤4中溅射的ITO电极相接触；在ITO玻璃的非导电面上，采用光刻工艺刻蚀成微透镜阵列7，使用微透镜阵列将每束单根纳米线发射的激光合成为一束激光。

[0025] 本发明的有益效果是：

[0026] 本发明将半导体纳米激光器和等离子体光泵浦激光器的双重优点相结合，实现了电泵浦和表面等离子体的限制约束作用及场局域增强效应相结合，并在两者的基础上，进行了光束合成，最终实现了电泵浦半导体纳米等离子体激光器的激光发射，并在激光功率等方面有较大的提高。附图说明

[0027] 图1为本发明提供的纳米等离子体激光器的结构示意图；

[0028] 图2为本发明提供的纳米等离子体激光器的结构拆分示意图；

[0029] 图3为纳米线横截面示意图；

[0030] 图4为六角密排阵列排布示意图；

[0031] 图5为实施例提供的纳米等离子体激光器的呈六角密排的阵列光源位置示意图；

[0032] 图6为实施例提供的纳米等离子体激光器的阵列光光强分布；

[0033] 图7为实施例提供的纳米等离子体激光器的阵列光合成灰度图。

具体实施方式

[0034] 下面结合实施例对本发明做进一步说明。

[0035] 实施例

[0036] 本实施例提供一种纳米等离子体阵列激光器，其结构如图1所示，图2是其结构拆分示意图，纳米线阵列由19个相干光源组成，如图5所示，每个相干光源完全相同，工作模式为TEM00模，部分具体材料、参数及尺寸如下：

[0037] 所述半导体衬底4为氮化镓(GaN)衬底；

[0038] 所述绝缘介质层3为SiO2薄膜层，其厚度为300nm；

[0039] 所述SiO2薄膜层3开设有呈六角密排阵列排布的圆形通孔阵列，如图4所示，通孔直径为200nm，相邻通孔的中心间距为1μm；每个通孔位置均生长有ZnO纳米线203，其长度为3μm；

[0040] 所述ZnO纳米线侧面由内至外依次覆盖有一层厚度为10nm的SiO2薄膜202和一层厚度为30nm的Ag薄膜201；

[0041] ITO电极1上表面设置的微透镜阵列7中，每个微透镜的直径及其曲率半径均相同，且分别为100μm和50μm；

[0042] 氮化镓衬底4上表面设有不与SiO2薄膜层3接触的Au电极5，使用时，将金属电极5与ITO电极1分别连至电压电流源6的两端，加载合适的电流即可发射激光。

[0043] 本实施例利用matlab建立相应的程序来模拟相干合成的效果模拟，模拟了距离激光光源5m处的相干合成效果，阵列光光强分布、阵列光合成灰度图分别如图6、7所示，并得到合成效率即z平面与光源位置对应区域的能量占系统总功率的比值为54.9％。

[0044] 本实施例提供的纳米等离子体阵列激光器的制作方法具体如下：

[0045] 步骤1.衬底的加工制备：

[0046] 在p型氮化镓(GaN)衬底4上溅射一层SiO2薄膜层3，使用电子束蚀刻技术(EBL)将SiO2薄膜层刻蚀出孔洞阵列结构，刻蚀深度即为SiO2薄膜层厚度以达到刚好刻蚀穿SiO2薄膜层；

[0047] 步骤2.ZnO纳米线的生长制备：

[0048] 采用化学气相沉积法(CVD)，在SiO2薄膜层3的孔洞上生长n型ZnO纳米线203；

[0049] 一般于700℃环境中以锌(Zn)片为Zn源生长ZnO纳米线203，生长时间30min，生长完成后自然降温；

[0050] 步骤3.溅射镀膜：

[0051] 采用磁控溅射工艺，在每根ZnO纳米线203的侧面由内向外依次溅射一层SiO2薄膜层202及Ag薄膜201；Ag薄膜的作用是光激发产生表面等离子体实现对光场的反馈和调控，SiO2薄膜层的作用是防止Ag薄膜与衬底接触导致纳米线顶端和衬底间的电极短路；

[0052] 步骤4.电极工艺：

[0053] 采用磁控溅射工艺，在纳米线阵列2顶端溅射一层ITO电极1，在氮化镓衬底4上蒸镀金属电极5，例如银(Ag)或金(Au)电极，所述电极5不与SiO2层3接触；

[0054] 步骤5.微透镜阵列光束合成：

[0055] 在ITO电极的上面，盖上一块ITO玻璃，ITO玻璃的导电面与步骤4中溅射的ITO电极相接触，并在ITO电极和ITO玻璃导电面的接触夹层中间引出一个电极便于连接电源；在ITO玻璃的非导电面上，采用光刻工艺刻蚀成微透镜阵列7，使用微透镜阵列将每束单根纳米线发射的激光合成为一束激光。

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