CN103050591B

CN103050591B - 表面等离激元电致激发源及其制造方法

Info

Publication number: CN103050591B
Application number: CN201110312187.5A
Authority: CN
Inventors: 李敬; 徐红星
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN103050591A

Abstract

本发明提供一种表面等离激元电致激发源，包括：第一金属层；第二金属层；第一金属层和第二金属层之间的量子阱层；第一金属层和第二金属层之一中的耦合输出结构。本发明还提供一种表面等离激元电致激发源的制造方法。

Description

表面等离激元电致激发源及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种表面等离激元电致激发源。

背景技术

表面等离激元(SurfacePlasmon)是指在金属-介质界面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着界面传播的电磁波。表面等离激元可以突破衍射极限的限制，给纳米尺度下光子学和微电子学的融合发展提供了平台。在相同频率的情况下，表面等离激元的波矢量大于光波矢量，所以不能直接用光波激发表面等离激元，目前常采用的激发方法是在外光源照射下，通过棱镜耦合、光栅耦合或者单个散射体散射等机制来实现波矢匹配而激发表面等离激元。然而这样的光学激发方式难以满足集成技术高集成度、小体积等方面的要求。对于纳米光电子集成技术来说，采用电激发的方式获得表面等离激元非常重要，具有重要的研究价值和应用前景。

目前电致激发表面等离激元源主要有以下几种方案：

(1)半导体激光器和发光二极管中产生表面等离激元

中远红外波段的量子级联半导体激光器是较早获得电致激发表面等离激元的半导体激光器类器件。量子级联激光器中在金属层波导和半导体介质层的界面近场激发产生表面等离激元；

发光二极管利用金属层和半导体外延层的界面上产生的表面等离激元来提高出光效率，同时也可以产生表面等离激元。但是该方案的缺点在于这些半导体激光器、发光二极管或有机发光二极管通过表面等离激元来提高发光效率、改善器件性能，在此类器件中，电注入所激发的表面等离激元会散射成传播光或者截留在器件内，没有直接耦合出来，难以形成真正的等离激元激发源。

(2)电致发光激励表面等离激元波导

在电激励的发光二极管上制作双金属层限制的薄介质层波导结构，通过纳米狭缝将发光二极管产生的光沿垂直平面方向耦合到此波导中激发表面等离激元，传播后再通过狭缝耦合输出。此结构的缺陷是只能应用在发光二极管这样的化合物半导体上，不便于与其它器件的集成。

条形半导体激光器端面发光在平面上耦合到金属条形波导上激发表面等离激元，但是光在空间内的传播和散射严重限制了其应用。

(3)具有输出结构的表面等离激元源

电注入的有机发光二极管制作成侧向限制结构，使得双金属电极层之间产生的表面等离激元可以沿金属电极传播，但有机发光介质材料和工艺与集成电路工艺不兼容。

硅纳米晶作为有源材料置于上下金属电极层之间，在电注入的条件下近场激发表面等离激元，通过金属电极上的光栅耦合输出，但是硅纳米晶发光的内量子效率低，发光波长范围小。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种表面等离激元电致激发源，具有较高的内量子效率，发光波长范围大，且制备工艺与CMOS工艺兼容，便于器件的集成。

本发明提供一种表面等离激元电致激发源，包括：

第一金属层；

第二金属层；

第一金属层和第二金属层之间的量子阱结构；

第一金属层和第二金属层之一中的耦合输出结构。

根据本发明提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层包括单量子阱或多个量子阱。

根据本发明提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层为GaAs基材料，第一金属层、第二金属层之间的所有介质层的总厚度在100-140nm内。

根据本发明提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层为InP基材料，第一金属层、第二金属层之间的所有介质层的总厚度在200-300nm内。

根据本发明提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层为锑化物基材料，第一金属层、第二金属层之间的所有介质层的总厚度在350-700nm内。

根据本发明提供的表面等离激元电致激发源，其中第一金属层和第二金属层中不具有耦合输出结构的一个被键合到衬底上的键合金属层。

根据本发明提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层与第一金属层之间具有p型欧姆接触层，量子阱层与第二金属层之间具有n型欧姆接触层。

根据本发明提供的表面等离激元电致激发源，其中p型欧姆接触层的掺杂浓度约为10¹⁴-10¹⁷cm^-3，n型欧姆接触层的掺杂浓度约为10¹⁶-10¹⁸cm^-3。

根据本发明提供的表面等离激元电致激发源，其中耦合输出结构为光栅、孔洞阵列。

本发明还提供一种制造表面等离激元电致激发源的方法，包括：

在第一衬底上生长缓冲层、刻蚀阻挡层、量子阱，形成量子阱外延片；

在第二衬底和量子阱外延片上分别沉积键合金属层和第一金属层；

将第二衬底上的键合金属层与量子阱外延片上的第一金属层面对面贴合并低温键合，使第二衬底与量子阱外延片键合在一起；

腐蚀去掉第一衬底和缓冲层，腐蚀去掉刻蚀阻挡层；

沉积第二金属层，并在第二金属层中形成耦合输出结构。

本发明采用了半导体量子阱材料作为上下金属电极层之间的有源介质层，由于半导体量子阱材料具有高增益特性，从而使得本发明的表面等离激元电致激发源具有较高的内量子效率，发光波长范围大，且制备工艺与CMOS工艺兼容，便于器件的集成。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为实施例1提供的表面等离激元电致激发源的结构示意图；

图2为有效折射率随介质层总厚度的变化的曲线；

图3为传播长度随介质层总厚度的变化的曲线；

图4为实施例2提供的表面等离激元电致激发源的结构示意图；

图5a为圆形光栅的顶视结构示意图；

图5b为圆形光栅的立体示意图；

图6(a)至图6(f)为制作工艺流程示意图。

具体实施方式

根据本发明的表面等离激元电致激发源，采用金属层-量子阱层-金属层的三明治结构，两个金属层既是电极又是表面等离激元传播的波导。通过两个金属层对量子阱层施加电注入，量子阱内的电子-空穴对复合，通过近场耦合作用激发金属和量子阱层界面的表面等离激元，沿金属-量子阱-金属波导传播并由耦合输出结构耦合输出。

在这种金属-介质-金属波导结构中，两个界面上表面等离激元模耦合在一起，形成光场限制更好的表面等离激元模式，表面等离激元在金属-介质-金属波导结构中传播。

由于量子阱具有高增益特性，从而使得本发明的表面等离激元电致激发源具有较高的内量子效率，且制备工艺与CMOS工艺兼容，便于器件的集成。

下面通过具体实施例介绍几种根据本发明的表面等离激元电致激发源的几种具体结构。

实施例1

本发明提供了一种表面等离激元电致激发源，其结构如图1所示，包括：

第一金属层001，厚度约为100nm，由银制成；

第二金属层003，厚度约为100nm，由银制成；

第一金属层001和第二金属层003之间的量子阱层002，由Al_0.3Ga_0.7As/GaAs/Al_0.3Ga_0.7As构成，AlGaAs层的厚度为40nm，GaAs层厚度为30nm；

第二金属层003中的耦合输出结构004，为条形光栅，该光栅的周期为300nm，占空比为1∶1，光栅区域总宽度为3微米。

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层结构AlGaAs/GaAs/AlGaAs中，AlGaAs层中的Al和Ga的比例可以在0.2∶0.8-0.5∶0.5范围内变化，AlGaAs/GaAs/AlGaAs量子阱对应的波长范围0.6-1μm。

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，量子阱层的材料也不局限于GaAs基材料，还可以采用其他材料形成量子阱，如InP基量子阱，锑化物量子阱等。

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中AlGaAs层的厚度优选为10-50nm，GaAs层厚度优选为5-40nm。

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中第一金属层和第二金属层之间的所有介质层的总厚度需足够小，从而取消光学模式的传播，使介质层中的有源材料的激发辐射直接近场耦合到等离激元模式中，介质层的厚度应设置为使有源层和等离激元模式有非常强的耦合。但是介质层的总厚度也不能过小，图2示出了金属-介质-金属波导结构的有效折射率随介质层厚度的变化，因为金属具有高折射率特性，所以有效折射率随介质层厚度的减小而增大，因此随着介质层厚度的减小，对光场的限制增强，光场在高吸收的金属层中的分布增大，因此损耗增加，从而如图3所示，光场的传播长度显著减小。因此需要根据实际需要而在合理的范围内选择合适的介质层总厚度。对于不同波长的量子阱，所允许的总厚度不同，短波长所允许的介质层厚度小，长波长所允许的介质层厚度大。对于本实施例中的波长为0.6-1μm的GaAs量子阱来说，介质层的总厚度的范围优选在100-140nm内。除GaAs量子阱外，也可以采用其他材料形成量子阱，如波长为1.2-1.6μm的InP基量子阱，由于其波长较大，所允许的介质层厚度可以增加到200-300nm，又如波长更长的锑化物量子阱材料(波长1.7-4.4μm)，所允许的介质层厚度可以增加到350-700nm。

在本实施例提供的表面等离激元电致激发源中，两个界面上表面等离激元模耦合在一起，形成光场限制更好的表面等离激元模式，表面等离激元在金属-介质-金属波导结构中传播。由于量子阱具有高增益特性，从而使得表面等离激元电致激发源具有较高的内量子效率。

实施例2

本实施例提供一种表面等离激元电致激发源，其结构如图4所示，包括：

硅衬底110；

硅衬底110上的键合金属层111，厚度约为100nm，该键合金属层111由Au制成；

键合金属层111上的第一金属层107，由Au制成，厚度约为100nm；

第一金属层107上的p型欧姆接触层106，由GaAs制成，掺杂浓度约为10¹⁵cm^-3，厚度为25nm；

p型欧姆接触层106上的量子阱层105，由Al_0.3Ga_0.7As/GaAs/Al_0.3Ga_0.7As构成，AlGaAs层厚度为25nm，GaAs层厚度为15nm；

量子阱层105上的n型欧姆接触层104，由GaAs制成，掺杂浓度约为10¹⁷cm^-3，厚度为25nm；

n型欧姆接触层104上的第二金属层112，由Au制成，厚度约为120nm；

第二金属层中的条形光栅113用作耦合输出结构，该光栅的周期为400nm，占空比为1∶1，光栅区域总宽度为2微米。

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中p型欧姆接触层106的掺杂浓度可在10¹⁴-10¹⁷cm^-3范围内，厚度可为10-30nm。

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中n型欧姆接触层104掺杂浓度可在10¹⁶-10¹⁸cm^-3范围内，厚度可为10-30nm

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层105中，Al和Ga的比例不局限于0.3∶0.7，可以在0.2∶0.8-0.5∶0.5范围内。

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层105中，AlGaAs层厚度可以为10-30nm，GaAs层厚度可以为5-20nm。

根据本实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层以及p型欧姆接触层和n型欧姆接触层的材料也不局限于GaAs基材料，还可以采用其他材料形成量子阱，如InP基量子阱，锑化物量子阱等。

同样地，如实施例1，第一金属层和第二金属层之间的所有介质层(包括p型欧姆接触层106、量子阱层105、n型欧姆接触层104)的总厚度需足够小，从而取消光学模式的传播，但是介质层的总厚度也不能过小，对于本实施例中的波长为0.6-1μm的GaAs量子阱来说，介质层的总厚度的范围优选在100-140nm内。除GaAs量子阱外，也可以采用其他材料形成量子阱，如波长为1.2-1.6μm的InP基量子阱，由于其波长较大，所允许的介质层厚度可以增加到200-300nm，又如波长更长的锑化物量子阱材料(波长1.7-4.4μm)，所允许的介质层厚度可以增加到350-700nm。

本实施例提供的表面等离激元电致激发源中，在量子阱层与第一金属层之间、量子阱层与第二金属层之间分别插入p型欧姆接触层和n型欧姆接触层，p型欧姆接触层和n型欧姆接触层的作用在于使金属层和半导体层有良好的电注入，减小注入电流时的势垒。p型欧姆接触层掺杂浓度过小会增大电注入时的势垒，接触电阻增加，热效应加剧，而掺杂浓度太大会造成光场吸收损耗的增大，两种极端条件都会显著降低器件性能。另外，由于欧姆接触层很薄，若掺杂浓度太大，掺杂元素易扩散到量子阱层。n型欧姆接触层是在量子阱生长之前生长，掺杂浓度可以稍大，不会造成对量子阱的扩散，但是掺杂浓度过大同样会造成强的光学吸收损耗。

实施例3

根据本发明的一个实施例，还提供一种表面等离激元电致激发源的制造方法，其工艺流程如图6(a)至图6(f)所示，包括：

a)采用MOCVD在GaAs衬底101上生长25nm的GaAs缓冲层102、100nm的GaInP刻蚀阻挡层103、n型GaAs欧姆接触层104(厚度25nm，掺杂浓度为10¹⁷cm^-3)、Al_0.3Ga_0.7As/GaAs/Al_0.3Ga_0.7As量子阱层105(AlGaAs层厚度为25nm，GaAs层厚度为15nm)、p型GaAs欧姆接触层106(厚度25nm，掺杂浓度为10¹⁵cm^-3)，形成量子阱外延片；

b)在硅衬底110和量子阱外延片的p型GaAs欧姆接触层106上分别电子束沉积键合金属层111和第一金属层107，键合金属层111和第一金属层107的厚度约为100nm；

c)将硅衬底110上的键合金属层111与量子阱外延片上的第一金属层107相接触，使硅衬底110与量子阱外延片低温键合，键合温度低于400℃；

d)用NH₄OH∶H₂O₂的混合溶液湿法腐蚀去掉GaAs衬底101和缓冲层102，用HCl溶液腐蚀掉GaInP刻蚀阻挡层103；

e)光刻、刻蚀介质层，得到器件单元；

f)沉积120nm的第二金属层112，电子束曝光后进行干法刻蚀，得到相应的金属波导112和光栅耦合输出结构113。

根据本实施例提供的制造方法，光栅耦合输出结构113的形成方法不限于上述步骤f)，也可以利用电子束曝光后沉积电极金属层、带胶剥离的方法形成光栅或者孔洞阵列等耦合输出结构113。

根据本发明任一实施例提供的表面等离激元电致激发源，其中光栅还可以为如图5a和图5b所示的圆形光栅，也可以为其他形状的光栅，或者是能够起到耦合输出作用的其他结构，例如孔洞阵列，影响耦合输出效率的主要是光栅周期，根据不同的耦合输出效率、输出远场光场分布要求等应用背景，设计不同周期的光栅结构，光栅的周期优选为300-600nm，光栅区域总宽度可为1-3微米。

在表面等离激元激发和传导过程中，金属层的损耗主要由欧姆损耗和光散射决定。增加金属层的致密度在一定程度上可以减小热损耗，减小金属层的颗粒度可以减小散射损耗。因此，第一、第二金属层优选由电子束沉积而形成，小的沉积速率和高的真空度会使金属层致密、粗糙度小，金属层的表面粗糙度优选小于1.5nm，金属层优选采用金，也可以采用其他金属，如银等。根据本发明的任意一个实施例，第一、第二金属层的厚度优选为80～150nm。

根据本发明的任意一个实施例，其中量子阱层优选采用张应变的量子阱材料，使激发后以TM模为主，电场垂直于平面方向，利于表面等离激元的产生。

根据本发明的任意一个实施例，量子阱层可不仅仅为单量子阱结构，也可以包括多层量子阱。

以上结合具体实施例，对本发明的目的、实施方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述的具体实施例不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内，所做的修改或者改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种表面等离激元电致激发源，包括：

用作电极和表面等离激元的波导的第一金属层；

用作电极和表面等离激元的波导的第二金属层；

第一金属层和第二金属层之间的量子阱层；

第一金属层和第二金属层之一中的耦合输出结构，用于输出所述表面等离激元；

其中，

所述量子阱层为GaAs基材料，第一金属层、第二金属层之间的所有介质层的总厚度在100-140nm内；或者

所述量子阱层为InP基材料，第一金属层、第二金属层之间的所有介质层的总厚度在200-300nm内；或者

所述量子阱层为锑化物基材料，第一金属层、第二金属层之间的所有介质层的总厚度在350-700nm内。

2.根据权利要求1所述的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层包括单量子阱或多个量子阱。

3.根据权利要求1所述的表面等离激元电致激发源，其中第一金属层和第二金属层中不具有耦合输出结构的一个被键合到衬底上的键合金属层。

4.根据权利要求1所述的表面等离激元电致激发源，其中量子阱层与第一金属层之间具有p型欧姆接触层，量子阱层与第二金属层之间具有n型欧姆接触层。

5.根据权利要求4所述的表面等离激元电致激发源，其中p型欧姆接触层的掺杂浓度为10¹⁴-10¹⁷cm^-3，n型欧姆接触层的掺杂浓度为10¹⁶-10¹⁸cm^-3。

6.根据权利要求1所述的表面等离激元电致激发源，其中耦合输出结构为光栅或孔洞阵列。

7.一种制造如权利要求1所述的表面等离激元电致激发源的方法，包括：

在第一衬底上生长缓冲层、刻蚀阻挡层、量子阱层，从而形成量子阱外延片；

将第二衬底上的键合金属层与量子阱外延片上的第一金属层面对面贴合并在低于400℃的温度下进行键合，使第二衬底与量子阱外延片键合在一起；

腐蚀去掉第一衬底和缓冲层，腐蚀去掉刻蚀阻挡层；

沉积第二金属层，并在第二金属层中形成耦合输出结构。