一种锑化物纳米线激光器及其制备方法与流程

本发明涉及一种锑化物纳米线激光器及其制备方法，属于半导体光电子。

背景技术：

1、纳米线激光器具备同时将载流子和光子限制在一维尺度纳米微腔中的能力。与量子阱结构相比，这种一维结构仅允许载流子沿纳米线的轴向方向传输，因而具有更好的载流子限制能力；此外一维尺度的纳米腔可提供更好的光场限制能力，有利于提高自发辐射效率。因此这种基于纳米线的半导体激光器将具有更低的激光器阈值，是纳米激光器研究领域中比较重要的激光器结构，成为本领域的研究热点。

2、中红外波段激光具有重要的军用和民用价值，因此开展该波段的半导体纳米激光器研究具有较为重要的研究意义。作为该波段半导体激光的首选材料，锑化镓(gasb)受到了广泛关注。然而仅2006年a.h.chin采用化学气相沉积(cvd)方式生长gasb微米线，利用钛宝石激光器作为泵浦源在低温下实现了1550nm gasb微米线的受激发射现象。因此如何实现基于gasb纳米结构的室温激射是国内外研究人员共同关心的热点问题。

3、gasb纳米线激光器的工作原理如下：以纳米线作为fp腔(fabry-perot cavity)，其两个端面可以当做微腔的反射镜。部分光可被纳米线的端面反射回纳米线内部，其余部分从纳米线的端面发射并进入周围的空间。光场沿纳米线轴向传播，在反射镜间反复反射得到放大加强。

4、目前得到gasb纳米线激光器最大问题是如何提高增益、降低损耗。在提高增益方面：在腔内不断反射的光，只有纵模频率处于增益线宽内时才可能形成真正的有效振荡(多纵模振荡)。因此总的增益应包含材料性质(材料增益)部分，以及波导的几何性质部分。因此总的增益应表述为：g＝γg0，其中g0为材料增益，γ为光学限制因子，即增益区间与共振模式的交叠程度。由此可见，改进增益介质同时提高光学限制能力是提高增益的有效途径。在降低损耗方面，腔内损耗由波导损耗和镜面损耗引起。但纳米线直径尺度过小，端面的局域散射中心效应大于镜面反射效应，由此引发较大的镜面损耗。由此可见，提高纳米线端面的镜面反射能力是降低腔内损耗的有效方式。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新型锑化物纳米线激光器，改进增益介质同时提高光学限制能力，进而具有高增益低损耗的gasb纳米线的受激发射。

2、本发明的另一目的在于提供一种所述锑化物纳米线激光器的制备方法。

3、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

4、一种锑化物纳米线激光器，该激光器包括设置在衬底上的gasb/alassb dbr层、设置gasb/alassb dbr层上的gasb/algasb/gainsb核壳量子阱，所述gasb/algasb/gainsb核壳量子阱以gasb纳米线为核，以algasb/gainsb量子阱为壳层。

5、其中，所述algasb/gainsb量子阱和dbr(分布式布拉格反射器，distributedbragg reflector)各层宽度，及组分可变化。

6、优选地，所述algasb/gainsb量子阱由2ml(分子层)的alxga1-xsb层、6ml的gayin1-ysb层以及2ml的alzga1-zsb层组成，其中，0.05≤x≤0.30、0.05≤y≤0.70、0.05≤z≤0.30；

7、所述gasb/alassb dbr层由6ml的gasb/alas1-msbm组成，其中，0.05≤m≤0.60。

8、本发明上述结构的锑化物纳米线激光器，利用algasb/gainsb量子阱与gasb纳米线构成的gasb多量子阱核壳纳米线结构，提高光学限制能力，进而实现增益介质内纵模的有效振荡；依靠gasb纳米线与衬底界面处的dbr层，改善纳米线端面的镜面反射效应，最终实现具有高增益低损耗的gasb纳米线的受激发射。

9、一种所述锑化物纳米线激光器的制备方法，包括如下步骤：

10、(1)在gasb或者inas衬底上，利用分子束外延生长gasb/alassb dbr层；

11、(2)采用磁控溅射方式，在dbr表面溅射au纳米粒子催化剂，并将样品放入管式炉中进行退火处理，生成au-ga合金催化剂颗粒；通过控制溅射功率、时间和后期退火参数控制au-ga合金催化剂颗粒的尺寸及密度；

12、(3)gasb纳米线生长，利用步骤(2)中生成的au-ga合金催化剂颗粒作为gasb纳米线生长的液滴催化剂；控制生长温度、时间及液滴尺寸、密度进行gasb纳米线生长；

13、(4)以所生长gasb纳米线为核，生长algasb/gainsb量子阱壳层；

14、(5)采用化学腐蚀方式去除au纳米粒子，采用减薄方式去除gasb或inas衬底。

15、优选地，在所述步骤(2)中，采用直流溅射，背底真空为10-4pa，充入高纯氩气，溅射气压为0.5pa，气体流量为50sccm，溅射功率为40w，溅射时间为30。

16、优选地，在所述步骤(2)中，初始退火温度设置为600-700℃，在初始温度基础上，逐级降低温度，每个降温阶段降低10℃-50℃，在每级温度的保持时间设置在10s-60s之间，以确保催化剂颗粒的尺寸和密度得到适当控制。样品放入管式炉中以10℃/min-50℃/min升温速率升温至初始退火温度，以避免过快的升温导致样品结构损伤或不均匀的催化剂颗粒形成；退火过程保持在10-5pa氮气气氛或氩气气氛中进行，降温速率控制在5℃/min-30℃/min之间。

17、优选地，在所述步骤(3)中，au-ga合金催化剂颗粒密度为1.2×108cm-2-3.5×108cm-2，直径分布在150nm-250nm之间；在合金颗粒已经形成后，将反应室温度调整为500℃-600℃，生长时间为500s，并通入tmga(三甲基镓)进行反应制备gaas纳米线。

18、本发明的有益效果：

19、(1)在中红外波段，首次构建以壳层量子阱作为增益区，提高增益能力的同时获得较大的光学限制能力，确保多数纵模频率处于增益线宽内，实现腔内纵模的有效振荡，进而提高纳米线的总增益。

20、(2)针对纳米线激光器镜面反射问题，提出借助dbr层对特定光波的高反射性能，并引入gasb纳米线与衬底界面处，提高gasb纳米线单侧端面的反射效率，抑制端面的局域散射中心效应，降低腔内高的镜面损耗。

21、(3)目前在中红外波段还没有与本发明类似结构的纳米线激光器；目前仅有在纳米线底部和顶部生长同轴dbr结构，来提升镜面反射能力，未见有本发明所述的gasb/alassb dbr-gasb/algasb/gainsb核壳量子阱结构。

技术特征：

1.一种锑化物纳米线激光器，其特征在于，该激光器包括设置在衬底上的gasb/alassbdbr层、设置gasb/alassb dbr层上的gasb/algasb/gainsb核壳量子阱，所述gasb/algasb/gainsb核壳量子阱具有以gasb纳米线为核，以algasb/gainsb量子阱为壳层的核壳结构。

2.根据权利要求1所述的锑化物纳米线激光器，其特征在于，

3.一种权利要求1或2所述锑化物纳米线激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的锑化物纳米线激光器的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，采用直流溅射，背底真空为10-4pa，充入高纯氩气，溅射气压为0.5pa，气体流量为50sccm，溅射功率为40w，溅射时间为30。

5.根据权利要求3所述的锑化物纳米线激光器的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，初始退火温度设置为600-700℃，在初始温度基础上，逐级降低温度，每个降温阶段降低10℃-50℃，在每级温度的保持时间设置在10s-60s之间。

6.根据权利要求5所述的锑化物纳米线激光器的制备方法，其特征在于，样品放入管式炉中以10℃/min-50℃/min升温速率升温至初始退火温度，退火过程保持在10-5pa氮气气氛或氩气气氛中进行，降温速率控制在5℃/min-30℃/min之间。

7.根据权利要求3所述的锑化物纳米线激光器的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，au-ga合金催化剂颗粒密度为1.2×108cm-2-3.5×108cm-2，直径分布在150nm-250nm之间；在合金颗粒已经形成后，将反应室温度调整为500℃-600℃，生长时间为500s，并通入tmga进行反应制备gaas纳米线。

技术总结本发明公开了一种锑化物纳米线激光器及其制备方法。该激光器包括设置在衬底上的GaSb/AlAsSb DBR层、设置GaSb/AlAsSb DBR层上的GaSb/AlGaSb/GaInSb核壳量子阱，所述GaSb/AlGaSb/GaInSb核壳量子阱具有以GaSb纳米线为核，以AlGaSb/GaInSb量子阱为壳层的核壳结构。其制备方法包括如下步骤：(1)在GaSb或者InAs衬底上，利用分子束外延生长GaSb/AlAsSb DBR层；(2)采用磁控溅射方式，在DBR表面溅射Au纳米粒子催化剂并进行退火；(3)进行GaSb纳米线的生长；(4)以所生长GaSb纳米线为核，生长AlGaSb/GaInSb量子阱壳层；(5)采用化学腐蚀方式去除Au纳米粒子，采用减薄方式去除GaSb或InAs衬底。本发明能够实现增益介质内纵模的有效振荡，改善纳米线端面的镜面反射效应，最终实现具有高增益低损耗的GaSb纳米线的受激发射。技术研发人员：赵鸿滨,屠海令受保护的技术使用者：有研工程技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25