[发明专利]一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件

说明书

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件。

背景技术

半导体及其光子微腔结构中极化激元（polariton）的自发相干一直是凝聚态物理领域的研究热点。早期人们对激子极化激元的研究主要集中在半导体体材料，薄膜，量子阱、量子线等低维材料。但是，由于这些体系都是单纯的增益介质，光场无法得到有效的限制，激子和光子的耦合效率低，导致激子极化激元激光的研究没有较大的进展。

1992年，Claude Weisbuch等人把半导体平板微腔引入激子极化激元的研究。由于微腔的引入，光场被有效地限制在介质体系中，激子和光场的耦合效率显著提高，激子-光学模式能级的反交叉在试验中被观测到。在这个器件中，利用GaAlAs/AlAs分布式布拉格反射镜(DBR)做为F-P平板腔的上下高反射镜，中间用GaAs量子阱为增益介质。利用反射谱观测到激子和光场共振时所表现出来的激子极化激元的能级反交叉现象。因为在平板微腔中激子极化激元的波矢在垂直于量子阱方向是受限的，k在垂直方向只能取某些特定值，而在平行于量子阱的二维面内，激子极化激元在平面内的波矢k可以取任意值，这样激子极化激元的本征频率和平面内平行的波矢k就构成相应的色散关系，被称作做腔激子极化激元面内色散。由此人们就可以通过角分辨光致发光谱来研究腔激子极化激元。由于激子极化激元的具有波色子特性，Imamoglu 等人第一次提出激子极化激元的波色子特性可以发生波色-爱因斯坦凝聚，得到相干性很好的激光。这种激光器的阈值比传统的激光器的更低。2006年，关于激子极化激元发生波色-爱因斯坦凝聚的现象在CdTe微腔中得到全面的证实。

由于激子极化激元具有以上这些优异的特性，极化激元光子器件已经成为目前物理学及光电子学领域的前沿和研究热点。为了满足实际应用的需要，目前人们主要致力以下两方面研究：一是如何提高激子极化激元的稳定性，克服室温热能的激活以及高密度条件下激子极化激元之间的相互碰撞离化，保证室温条件下器件能够稳定的工作，二是实现电泵浦的激子极化激元LED以及激光器件。但是传统的GaAs系列材料激子束缚能比较小（典型值16meV）远低于室温激活能（26meV），激子不能在室温下存在，所以人们考虑激子束缚能和激子振子强度更大的宽带隙材料，如GaN，ZnO等。S. Christopoulos等人在GaN微腔中观察到室温下的激子极化激元的受激发射。Ayan Das等人在GaN纳米线结构中实现了室温下激子极化激元受激发射。虽然国际上这些研究小组已经在GaN材料中观察到了光学泵浦的激子极化激元受激发射。然而在实现GaN材料电注入的激子极化激元受激发射方面研究仍然没有取得实质性进展。目前GaN材料激子极化激元电注入激光的难点是高电流注入高密度的激子极化激元的稳定性。

ZnO体材料同GaN体材料相比具有更大的激子束缚能（60meV）（E_GaN=25meV），振子强度更强，光学增益特性更好。有望实现室温条件下光泵浦和电泵浦的激子极化激元激光。

近年来关于ZnO材料的激子极化激元研究也引起了人们的重视。M. Zamfirescu 模拟利用ZnO体材料作为微腔，ZnO/Mg_0.3Zn_0.7O作为上下层的DBRs结构，得出该结构的拉比能量为120meV，室温下的激子极化激元的受激发射阈值为2mW。H. Morkoč研究组在ZnO微腔结构中观察到了微腔中的激子极化激元的腔模式和激子的能量反交叉行为。接下来法国和德国的研究小组分别在120K和250K的情况下在ZnO体材料微腔中得到了ZnO激子极化激元的受激发射。上海复旦大学沈学础院士的研究组针对ZnO纳米结构进行了ZnO激子极化激元的相关的研究工作，在ZnO回音壁微腔结构中，观察到了激子极化激元的色散，室温下激子极化激元的激射等现象，为研究室温下激子极化激元器件另辟蹊径。在接下来的一段时间中也有关于ZnO纳米结构中激子极化激元的研究，但是在激光器件方面都没有取得实质性的进展。在体材料微腔中实现激子极化激元激光是至关重要的，更有利于器件的实用化。但是目前在ZnO量子阱中还没有关于室温下激子极化激元激光的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种ZnO量子阱微腔结构的激子极化激元激光器件，实现室温条件下的超低阈值激子极化激元激光。

本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：