[发明专利]一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源

说明书

本发明公开了一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源，包括：用于生成飞秒激光的飞秒激光器；用于将飞秒激光进行扩束准直的扩束准直透镜组；用于调整飞秒激光激发功率的衰减片；用于控制飞秒激光光束偏振，并可以生成任意可调偏振态的偏振组件；用于接收激发光束，并将光束聚焦于半导体微纳结构的物镜；用于高效耦合激发光，实现共振注入载流子，提升温度的半导体微纳结构；通过调节照射至所述半导体微纳结构上的光的重复频率、光的偏振态、光的波长以控制飞秒激光注入载流子的效率，以实现阈值可控制的片上集成半导体白光光源。本发明可以提高微纳结构的载流子注入效率，为光学芯片、硅光器件提供一种全新的高效率白光光源。

技术领域

本发明涉及半导体光源技术领域，具体涉及一种高量子发光效率片上集成间接带隙半导体白光光源。

背景技术

半导体的光致发光光谱与其能带结构特性息息相关，按照能带结构的定义，半导体可以区分为直接带隙半导体与间接带隙半导体。其中，因为直接带隙半导体的价带顶Valence Band Maximum(VBM)与导带底Conduction Band Minimum(CBM)在动量空间中的位置是一致的，其电子在动量空间从价带顶激发到导带底时并不需要声子辅助。然而，间接带隙半导体的电子激发过程则需要声子参与，也就是说，电子会被晶格散射，从而放出声子以满足跃迁的动量守恒条件。因此，直接带隙半导体材料的发光效率很高，优于间接带隙半导体。

半导体能带结构本身由其晶格常数决定，因此，调控能带成为了调节半导体发光特性的重要手段。常用的能带调节手段有掺杂、半导体复合、缺陷构造、半导体超晶格制备、表面态调控、压力调节、强电场作用、温度调节等方法。其中，掺杂、半导体复合、构造缺陷、半导体超晶格制备、表面态调控、属于调控半导体材料本身，因此，除了发光性能提升以外，其他半导体性能，诸如熔点、结构强度、电导率均会受到严重影响。压力调节、强电场作用、温度调节在满足相应的压力、电场强度或者温度的条件下，可以实现调节半导体能带结构本身，并且尽量减少对半导体其他特性的影响。

光注入载流子是最典型的半导体注入载流子方式之一。

载流子的注入效率与温度变化息息相关，通常而言，根据不同的温度范围，半导体载流子浓度表现为1、低温弱电离区，2、中间电离区3、强电离区，4饱和区与完全本征激发之间的过渡区，以及5、高温本征激发区。

更详细地，半导体被光注入载流子，相当于掺杂。对于杂质浓度一定的半导体，随着载流子注入的增加以及温度的增高，载流子则是以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程。相应地，费米能级则从杂质能级附近移动到禁带中线处。半导体温度达到本征激发条件时，杂质电离已经不能增加电子数，本征激发成为载流子的主要来源，载流子浓度急剧上升。因此，通过本征激发，可以向半导体注入极高浓度的载流子。

通常而言，当温度足够高时，本征激发占主要地位，器件将不能正常工作，此外，本征激发温度与半导体的熔点十分接近，因而本征激发条件接近报道体器件工作的极限温度，器件容易失效。

因此，精确且细致地控制半导体器件的温度，成为了本征激发实用化所亟需解决的问题。

光学共振，作为一种近年来新兴的载流子注入方式，正在逐渐改变传统的光致荧光激发方法。光学共振可以显著增加载流子的弛豫时间，高品质因子的共振则使得载流子辐射复合的寿命变短。因此，使用高品质因子共振作为光学谐振腔，可以显著提高发光元件的量子效率，实现高亮度发光。除了辐射复合以外，通过光学共振注入的载流子更多地以非辐射复合的形式转化为晶格能量，即热能。利用光学共振同样地可以控制半导体发光器件的温度，实现本征激发。

总而言之，现有的能带工程方法往往会带来材料其他特性的变化，更重要的是，能带工程对材料本身的制备要求较高。相比起现有成熟的半导体产业，新材料的成本也会显著增长。现在亟需一种在原有半导体工业的基础上，实现量子效率的增强的方法。光学共振，可以同时兼顾提升量子效率与精细控制半导体温度。利用光学共振实现本征激发，是一种实现高亮度半导体白光光源的有效途径。