CN100395902C - 一种多孔硅发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多孔硅发光器件，属于光电子技术领域。其特征在于，它利用表面等离子体波的Purcell效应增强了多孔硅的发光。通过在多孔硅层上形成表面等离子体波导，多孔硅中发出的光先耦合到表面等离子体波导的导模中去，然后再散射到自由空间中去。由于表面等离子体波导的导模的态密度很大，多孔硅的自发辐射被大大加强了，所以发光效率得以很大程度的提高，这使得多孔硅成为高效硅基发光器件在材料方面的有力候选，并且为光电集成、光互联等实际应用提供可能。

Description

一种多孔硅发光器件
技术领域
本发明涉及一种在光电集成、发光材料等领域应用的表面等离子体波增强的多孔硅发光器件，属于集成光电子技术领域。
背景技术
表面等离子波[Surface Plasmon Wave(SPW)]是一种沿金属和介质界面传播的电磁场，在介质中它的振幅随着离开界面的距离指数衰减。SPW是一种表面波，可以将光波横向限制在亚波长的尺度内，因此可以用作纳米尺度的波导；并且在近谐振频率附近其色散曲线平坦、光子态密度大，与有源介质相互作用时可以增强自发辐射，这在有源光电子器件、光子集成等领域将有广泛的应用前景
体硅本身是间接带隙半导体材料，发光极弱，量子效率极低。用电化学腐蚀的方法可以将体硅腐蚀成海绵多孔状，这种多孔硅材料被称为多孔硅。对于微孔的多孔硅，由于量子限制效应和存在于表面的大量的辐射复合中心，与体硅相比，多孔硅的发光效率得以大大提高。然而与常用的化合物半导体GaAs和InP相比，多孔硅的量子效率仍然很低。
多孔硅作为一种与硅兼容的发光材料可能在光互联技术中发挥重要作用。光互联是解决芯片间、芯片内电互联延迟的技术途径，而光发射器件是其中的核心器件之一。该发光器件必须与成熟的硅工艺和微电子技术的最常用的硅材料相兼容。多孔硅材料便成为很有希望的候选。所以，如何进一步提高多孔硅的发光效率并成为芯片间光互联技术能否实用化的核心问题。
发明内容
本发明是为了解决多孔硅材料发光效率低这一问题而提供一种表面等离子体波作用下的多孔硅发光器件。
本发明的特征之一在于：该发光器件是由一层金属-介质混合薄膜和一层多孔硅发光层构成，该金属-介质混合薄膜作为表面等离子体波导并且附着在多孔硅上，通过表面等离子体波的Purcell效应增强有源介质多孔硅的自发辐射进而提高其发光效率。所述金属-介质薄膜中的金属成分是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的一种，介质成分可以是Si或者SiO2，金属-介质薄膜厚度限定在10nm以上，100nm以下。多孔硅可以是由一种通过电化学腐蚀的方法制备的硅的多孔发光材料。
本发明的特征之二在于：该发光器件是由一层多孔金属薄膜和一层多孔硅发光层构成，该多孔金属薄膜作为表面等离子体波导并且附着在多孔硅上，通过表面等离子体波的Purcell效应增强有源介质多孔硅的自发辐射进而提高其发光效率。多孔金属薄膜厚度限定在5nm以上，100nm以下。多孔硅可以是由一种通过电化学腐蚀的方法制备的硅的多孔发光材料。
本发明的特征之三在于：一种表面等离子体波增强的多孔硅发光器件，其特征在于，该发光器件是由一层金属纳米颗粒和一层多孔硅发光层构成，该金属纳米颗粒层作为表面等离子体波导并且附着在多孔硅上，通过表面等离子体波的Purcell效应增强有源介质多孔硅的自发辐射进而提高其发光效率。金属纳米颗粒的粒径限定在5nm以上，100nm以下。多孔硅可以是由一种通过电化学腐蚀的方法制备的硅的多孔发光材料。
由于本发明利用表面等离子体波来增强多孔硅的发光，多孔硅中电子-空穴对辐射复合所产生的光子不再是直接耦合到真空的电磁模式，而是首先耦合到表面等离子体的波导模式中去，然后再耦合到真空中去。通过在金属中混合介质、或形成多孔金属、或形成纳米金属颗粒，所以多孔硅的内量子效率被大大提高。此外，由于引入了波导结构，该波导的导模可以避免硅衬底对于多孔硅发出光的本征吸收，这从另一方面提高了其发光效率。
附图说明
图1传统的多孔硅发光器件：1.硅衬底，2.多孔硅
图2有表面等离子体波导的多孔硅发光器件：3.表面等离子体波导
图3表面等离子体波导的色散曲线：4.反对称模式，5.对称模式，6.近谐振频率附近的平坦色散区
图4表面等离子体波导的反对称模式的Purcell增强系数：7.谐振频率，8.近谐振频率附近的Purcell增强系数大
图5实施例1具有金属-介质表面等离子体波导的多孔硅发光器件结构示意图：
9.金属-介质薄膜，10.透镜，11.激发光，12.发射光
图6实施例1具有金属-介质表面等离子体波导的多孔硅发光器件与传统多孔硅发光器件比较：
13.传统多孔硅发光器件的光致发光谱，14.具有金属-介质表面等离子体波导的多孔硅发光器件的光致发光谱
图7具有金属-介质表面等离子体波导的多孔硅发光器件结构示意图：
15.金属-介质薄膜
图8具有多孔金属表面等离子体波导的多孔硅发光器件结构示意图：
18.多孔金属薄膜
图9具有金属纳米颗粒表面等离子体波导的多孔硅发光器件结构示意图：
19.金属纳米颗粒
具体实施方式
本发明是按照如下技术方案实现的：
首先是制备多孔硅。多孔硅的制备方法是电化学腐蚀法：将多孔硅置于一定浓度的氢氟酸(HF)-乙醇混合溶液中，并通以电流，可以在阳极一侧形成多孔硅。多孔硅的孔度、厚度以及表面形貌可以通过控制电流大小、HF浓度以及腐蚀时间等参数予以控制。然后在多孔硅表面采用金属介质共溅或者蒸镀的方法形成金属-介质混合膜。多孔金属可以用两种金属共溅，然后用腐蚀去除其中的一种金属形成。金属纳米颗粒可以通过溅射金属然后退火的办法形成。
实施例1
本发明的具有金属-介质表面等离子体波导的多孔硅发光器件的基本结构如图5所示。选择N<111>、电阻率＜0.01Ω·cm、2英寸硅片，置于腐蚀槽中，腐蚀液的参数为40wt.％HF∶C2H5O2＝3∶7，电流密度大小为4.4mA/cm2，在硅衬底1上形成多孔硅层2。之后用锡纸覆盖一半硅片，另一半利用磁控溅射台在其上溅射形成60nm厚的金与SiO2混合薄膜。然后去掉锡纸，并用514nm激光11经透镜10聚焦后分别照射在多孔硅上和金与SiO2混合薄膜上。
实施例2
本发明的具有多孔金属表面等离子体波导的多孔硅发光器件的基本结构如图8所示。选择N<111>、电阻率＜0.01Ω·cm、2英寸硅片，置于腐蚀槽中，腐蚀液的参数为40wt.％HF∶C2H5O2＝3∶7，电流密度大小为4.4mA/cm2，在硅衬底1上形成多孔硅层2。之后用锡纸覆盖一半硅片，另一半利用磁控溅射台在其上溅射形成60nm厚的金和银的混合薄膜。然后去掉锡纸，将样品置于硝酸中去掉其中的银，形成多孔金。并用514nm激光11经透镜10聚焦后分别照射在多孔硅上和多孔金膜上。
实施例3
本发明的具有金属纳米颗粒表面等离子体波导的多孔硅发光器件的基本结构如图9所示。选择N<111>、电阻率＜0.01Ω·cm、2英寸硅片，置于腐蚀槽中，腐蚀液的参数为40wt.％HF∶C2H5O2＝3∶7，电流密度大小为4.4mA/cm2，在硅衬底2上形成多孔硅层1。之后用锡纸覆盖一半硅片，另一半利用磁控溅射台在其上溅射形成10nm的金膜。然后去掉锡纸，将样品置于退火炉中加热形成一层纳米颗粒状的金岛。并用514nm激光11经透镜10聚焦后分别照射在多孔硅上和纳米金岛上。

Claims (3)

1.一种多孔硅发光器件，其特征在于，该发光器件是由一层金属-介质混合薄膜和一层多孔硅发光层构成，所述金属-介质混合薄膜作为表面等离子体波导并且附着在多孔硅上，所述金属-介质混合薄膜中的金属成分为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种，所述介质成分为Si或者SiO2，所述金属-介质混合薄膜的厚度限定在10～100nm，所述多孔硅是由任何一种通过电化学腐蚀的方法制备的硅的多孔发光材料。
2.一种多孔硅发光器件，其特征在于，该发光器件是由一层多孔金属薄膜和一层多孔硅发光层构成，所述多孔金属薄膜作为表面等离子体波导并且附着在多孔硅上，所述多孔金属薄膜厚度限定在10～100nm，所述多孔硅是由一种通过电化学腐蚀的方法制备的硅的多孔发光材料。
3.一种多孔硅发光器件，其特征在于，该发光器件是由一层金属纳米颗粒和一层多孔硅发光层构成，所述金属纳米颗粒层作为表面等离子体波导并且附着在多孔硅上，所述金属纳米颗粒的粒径限定在10～100nm，所述多孔硅是由一种通过电化学腐蚀的方法制备的硅的多孔发光材料。
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