[发明专利]一种多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列及其制备方法

权利要求书

1.一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，包括半导体衬底(1)，半导体增益谐振腔(2)，绝缘介质层(3)，金属包裹层(4)，在所述半导体衬底(1)上有半导体增益谐振腔(2)阵列，在所述半导体衬底(1)和半导体增益谐振腔(2)阵列的表面设有所述绝缘介质层(3)，所述绝缘介质层(3)将每个所述半导体增益谐振腔(2)包裹，所述绝缘介质层(3)覆盖所述半导体增益谐振腔(2)的所有表面，同时所述绝缘介质层(3)还保持半导体增益谐振腔(2)阵列的图形，即形成半导体增益谐振腔-绝缘介质层阵列，在所述绝缘介质层(3)上设有所述金属包裹层(4)，所述金属包裹层(4)覆盖所述绝缘介质层(3)的所有表面，并且完全填充相邻半导体增益谐振腔-绝缘介质层单元之间的间隙；相邻半导体增益谐振腔-绝缘介质层单元的间距(5)为D，所述间距(5)不大于140nm；所述绝缘介质层(3)厚度在数纳米至数十纳米之间。

2.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，在正方形阵列中相邻间距(5)为D的半导体增益谐振腔-绝缘介质层单元构成超高密度纳米激光器阵列，实现面阵输出。

3.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，所述半导体增益谐振腔(2)材料包含镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)或铟磷/铟镓砷磷(InP/InGaAsP)，谐振腔形状包含正方形、菱形、圆形或六角形，谐振腔边长或直径为数百纳米。

4.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，半导体衬底及外延材料根据所需求的激射光波段选用不同的半导体材料体系，用GaAs/AlGaAs材料体系获得激射波长为850nm的激光器阵列，此时相对应的半导体谐振腔宽度为200nm-300nm；用InP/InGaAsP材料体系获得激射波长为1550nm的激光器阵列，此时相对应在半导体谐振腔宽度为350nm-500nm。

5.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，所述绝缘介质层(3)是指二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁中任意一种，厚度为数纳米至数十纳米之间。

6.按照权利要求1所述的一种纳米等离子体激光器阵列，其特征在于，所述的金属包裹层(4)是指金、银、铝、铜、钛、镍、铬材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料，厚度不小于100nm。

7.制备权利要求1-6任一项所述纳米等离子体激光器阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：生长构成半导体增益谐振腔的材料

在半导体衬底(1)上使用金属-有机物化学气相沉积(MOVCD)生长镓砷/铝镓砷或铟磷/铟镓砷磷的异质结或者多量子阱结构；

步骤2：半导体增益谐振腔(2)的制备

采用电子束曝光(EBL)或者聚焦离子束(FIB)直写谐振腔阵列图形，再通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀出半导体增益谐振腔结构；

步骤3：绝缘介质层(3)的制备

采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)或者原子层沉积(ALD)工艺，在步骤2制备出的半导体增益谐振腔的所有表面及侧面沉积一层绝缘介质薄膜层；

步骤4：金属包裹层(4)的制备

采用磁控溅射工艺，在步骤3的基础上镀上一层金属薄膜；

步骤5：出光区的制备

减薄在之前步骤中所形成谐振腔阵列对应的背后半导体衬底形成出光区。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，采取不同的泵浦方式，即采用光泵浦或电泵浦：

方式一、采用光泵浦：

根据步骤1-步骤4制备出纳米等离子体激光器阵列，然后将其倒置键合到硅衬底上，再使用具有材料选择性的腐蚀液湿法腐蚀去掉半导体衬底，形成出光区，泵浦光从出光区所在表面入射，同时激射光也从出光区所在表面出射；

或方式二、采用电泵浦：

步骤1-步骤3如上所述，步骤4的金属包裹层(4)只溅射在激光器阵列区域，其余半导体衬底表面不溅射金属；该金属包裹层(4)既可以起到光激发产生表面等离激元实现对增益腔光场的反馈和增强，也可以当作电极；再采用磁控溅射和剥离工艺，在半导体衬底(1)表面蒸镀金属电极(6)；使用时，将金属电极(6)与金属包裹层(4)分别连接至电源(7)的两端，当电流达到阈值时，即可发射激光。