ZnO量子阱微腔激子极化激元激光器件的制备及特性研究

Exciton-polariton is bosonic quasi-particle arising from the strong exciton-photon coupling in a microcavity of semiconductor. It has the property of half light and half matter. Polariton laser has the advantage of low stimulated emission threshold as compared with the traditional solid state laser. ZnO is a wide band semiconductor having with large exciton binding energy and oscillator strength and is thus a potential candidate for realizing room temperature polariton laser. In this project, microcavity device with the sandwich structure of (nitride-based-DBR)-(ZnO/ZnMgO QW)-(dielectric-DBR) is to be fabricated. The parameters of the microcavity structures will be optimized through the Finite difference time domain (FDTD) theoretical modeling . Based on the Bose-Einstein condensation theory, low threshold polariton laser can be realized by the coupling of the single exciton and photon. The project proposes to: (1) fabricate the microcavity polariton device and characterize its spectrum character; (2) study the physics of polariton in the microcavity; (3) investigate the energy anti-crossing and Rabi splitting; (4) optimize the device structure and realize the ZnO polariton laser at room temperature.

激子极化激元是半导体及其微腔结构中激子和光子相互作用形成的准粒子，它具有半光-半物质特性，是典型的玻色子。与传统的激光器相比，激子极化激元的微腔激光器具有极低的受激发射阈值。ZnO宽带半导体材料具有较大的激子束缚能和振子强度，更有利于在室温下实现激子极化激元激光。本项目拟利用氮化物介质膜的分布式布拉格反射镜（DBR）-ZnO/ZnMgO量子阱(QW)-介质膜DBR的三明治结构来构成微腔器件。通过时域有限差分法（FDTD）模拟并优化微腔结构。实现光学模式与ZnO量子阱中的激子产生高效的激子-光子耦合，进而有望在该结构中观察到基于玻色-爱因斯坦凝聚机理的极低阈值激子极化激元激光。根据理论模拟的结构参数，制备极化激元器件;研究量子阱微腔中的极化激元模式及能谱特征;激子极化激元的能级反交叉行为和器件结构对极化激元中拉比劈裂的影响;通过进一步优化器件结构，实现在室温下的ZnO量子阱激子极化激元激光。

基于激子极化激元的微腔激光器与传统的激光器相比将具有极低的受激发射阈值。原因是在高的外界泵浦条件下微腔结构中的高密度激子极化激元将会发生波色-爱因斯坦凝聚 ，在这一过程中激子极化激元将具有相同的量子态，当激子极化激元耦合输出时就形成了通常意义上的高亮度、高相干性激光。ZnO材料具有较大的激子束缚能和振子强度，更有利于在室温下实现激子极化激元激光。本项目拟通过在氮化物-介质膜的分布式布拉格反射镜（DBR）的三明治结构中加入ZnO/ZnMgO量子阱来构成微腔器件。由于量子阱的量子限域效应，利用其低维结构对激子波函数的空间压缩，可以提高激子跃迁强度，增加激子发射的热稳定性，能够进一步提高器件的性能,实现超低阈值的激光发射。通过本项目的实施，制备了高质量的ZnO薄膜，ZnO/ZnMgO量子阱，非对称双量子阱，分别在这三个结构中实现了光泵浦受激发射，首次在非对称双量子阱中观察到了目前报道的最低阈值的受激发射6KW/cm2;设计了激子激化激元器件的器件结构，优化相关的参数，并证明该结构的合理性;对ZnO薄膜的基本性质进行深入的研究，研究ZnO绿光缺陷的来源，无精细结构的绿光为与Zn空位相关的缺陷。这一研究工作的开展，拓展了ZnO基量子阱的范畴,为制备高效的发光器件和激光器件提供新依据。