CN103278884A

CN103278884A - 一种具有mis电容结构的表面等离子体激元波导

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Publication number: CN103278884A
Application number: CN2013100903333A
Authority: CN
Inventors: 李洵; 洪伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: CN103278884B

Abstract

本发明是一种具有MIS电容结构的表面等离子体激元波导，它由自上而下排列的金属层(1)、绝缘材料层(2)、掺杂半导体层(3)和衬底(4)构成，所述衬底通过引线接地，金属层通过引线接外电压；在适当电压下，从掺杂半导体层(3)与绝缘材料层(2)的界面到掺杂半导体层(3)内部出现复介电函数实部ε_r从负到正的变化，ε_r为负的区域具有类似金属的特性，掺杂半导体层(3)与绝缘材料层(2)的界面上，以及正、负ε_r的交界面上均可支持SPP模式，后者与金属层(1)与绝缘材料层(2)界面支持的SPP模式耦合形成混合SPP模式。本发明利用半导体的可控性来实现简便、高效的SPP波调控和解决光场限制与损耗之间的矛盾。

Description

一种具有MIS电容结构的表面等离子体激元波导

技术领域

本发明涉及一种具有金属-绝缘体-半导体(Mental-Insulator-Semiconductor，MIS)电容结构的表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)波导结构和器件，其中利用了外加电压作用下半导体层与绝缘材料层界面附近半导体材料复介电函数及其分布的变化，可实现SPP波传输的开关和SPP场强的控制，在光子集成、非线性光学等领域有潜在的应用。

背景技术

SPP波是一种在导体和介质界面处导引的电磁波，它来源于外加电磁场激发引起的导体表面附近自由电荷的集体振荡。SPP波独特的产生机理带来的局域增强效应和能够突破衍射极限的特性，使得它成为非线性光学和光子集成领域的研究热点之一。光通信波段使用的SPP波导一般选用贵金属(例如：金、银)作为导体，二氧化硅、硅或者III-V族半导体材料作为介质。这种传统SPP波导的重要性虽已得到广泛认同，但其真正实用化仍然存在难以克服的障碍，这主要表现在：

①SPP波导实现亚波长光场限制的前提是将能量存储在金属表面电子的振荡中，因此存在固有的光场限制和传输损耗之间的矛盾，特别是当金属周围的介质具有较高介电常数时(如：硅和III-V族半导体材料)，这一矛盾更为突出，目前尚未有确切的解决方案。

②金属的物理特性是大自然赋予的，难以进行人为的干预，这就决定了传统SPP波导中即使是简单的开关功能也难以实现。

在解决SPP波导光场限制和传输损耗之间的矛盾方面，常用的技术方案有：①采用低损耗SPP波导结构：已报道的低损耗波导结构包括：长程SPP波导、金属狭缝波导、金属通道波导、金属条形波导、介质加载SPP波导等。但是为了实现对光场的束缚，SPP波导结构需要限制模场的空间分布，而这又将导致模场与金属层的重叠增加从而使得波导损耗增加，这给波导的设计带来了诸多限制。②减小金属层的厚度：采用这种方法虽然可以减小电磁场与金属的重叠，从而在一定程度上减小波导损耗，但金属层厚度的减小受到工艺和物理上的限制，因此这种方法不能从根本上解决金属的损耗问题。③在SPP波导结构中引入增益介质：采用这种方法可以在一定程度上补偿SPP波导的损耗，但是增益介质通常为III-V族半导体材料，由于介电常数较大，与金属构成SPP波导时传输损耗较大，而SPP波的场分布主要集中在导体和介质的界面处，在介质中呈指数衰减，因此即使采用最优的增益介质往往也难以实现足够的补偿。

为了解决上述问题，一种由SPP波导和高折射率对比的介质光波导组合而成的所谓“混合(Hybrid)”SPP波导引起了广泛的研究兴趣。这种波导结构中SPP模式与某种介质波导模式的耦合，使得混合模式既部分地继承了介质波导模式低损耗的特点，又具有SPP模式强的光场局域特性。但是其光场主要分布在低介电常数的材料中，[Dai，D.and S.He，A silicon-based hybrid plasmonic waveguide with a metal cap for a nano-scale light confinement.Opt.Express， 2009.17(19)：p.16646-16653.]但是常用的非线性介质通常为具有高介电常数Si和III-V族半导体，因此这种方案不适合非线性应用；对于III-V族半导体材料，这种混合SPP波导结构中需要采用半导体纳米线，给制作带来了困难。[Oulton，R.F.，Sorger，V.J.，Genov，D.A.，Pile，D.F.P.，Zhang，X.，A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement and long-range propagation.Nat Photon，2008.2(8)：p.496-500.]，另外上述波导结构不能同时实现SPP模场的动态调控。

在SPP波的调控方面，早期主要有以下几种方案：①利用光波的热效应使得金属镓(Ga)发生从α-Ga到亚稳金属相的相变，介电常数将发生显著的变化，使得SPP波的耦合条件发生变化。采用这种方法调制带宽受到由亚稳金属相变为α-Ga的弛豫时间的制约，只能达到几百兆赫兹(MHz)的量级。②通过改变金属材料附近介质材料的介电特性，使得SPP波的耦合条件发生变化。例如：采用聚合物光栅将光波耦合到SPP波，通过电光效应改变聚合物光栅的折射率，从而改变耦合条件；或者利用Kerr效应改变正弦金属光栅周围介质的非线性折射率，从而改变耦合条件。上述方案均采用了表面入射的器件结构，限制了它们在波导集成器件中的应用。③基于干涉仪原理。例如：在金属条形波导构成的Mach-Zehnder干涉仪结构中，通过热光效应改变金属周围聚合物材料的折射率，使得干涉仪一臂中SPP波的传播常数发生变化，在干涉仪的输出端产生相长或者相消干涉。采用这种方法可以达到较高的调制消光比，但器件结构复杂。④在金属-介质光栅-金属型SPP Bragg光栅结构中，介质光栅由两种材料构成，通过电光效应改变其中一种介质的折射率，可以改变光栅的反射谱，从而实现反射光强的调制。采用这种方法需要选择特殊的介质材料来构成介质光栅，其中一种介质应具备较强的电光效应，且未加偏置时两种介质的折射率应该匹配，反射型器件中还需要光环形器提取反射光，而目前还没有可集成的光环形器。

基于自由载流子色散效应的SPP调制器与之前的三类相比具有工作速度高、结构紧凑的优点，因此成为近年来研究的重点。该方案利用了由光子吸收或者场效应引起的载流子密度变化及其对材料损耗系数的影响。2009年美国加州理工大学的J.A.Dionne等人提出了他们称之为“Plas MOStor”的结构[Dionne，J.A.，Diest，Kenneth，Sweatlock，Luke A.，Atwater，Harry A.，Plas MOStor：A Metal-Oxide-Si Field Effect Plasmonic Modulator.Nano Letters，2009.9(2)：p.897-902]，采用了金属-介质-金属型SPP波导结构，其中场效应引起了Si层载流子密度的改变从而影响模式的透过率。2011年德国Karlsruhe Institute of Technology的研究人员提出用透明导电氧化物(ITO)薄膜取代了“Plas MOStor”中的Si[Melikyan，A.，Lindenmann，N.，Walheim，S.，Leufke，P.M.，Ulrich，S.，Ye，J.，Vincze，P.，Hahn，H.，Schimmel，Th，Koos，C.，Freude，W.，Leuthold，J.，Surface plasmon polariton absorption modulator.Opt.Express，2011.19(9)：p.8855-8869]，由于ITO的介电常数较小因此可以将光场限制在该层中从而使得模场与吸收层的交叠增加。然而由于上述两种方案在垂直方向(相对于衬底平面)上都采用了金属-介质-金属的SPP波导结构，因此不利于与其他器件集成。新加坡Institute of Microelectronics的Shiyang Zhu等提出了水平方向的金属-绝缘体-Si-绝缘体-金属结构[Zhu，S.，Lo，G.Q.，Kwong，D.L.，Electro-absorption modulation in horizontal metal-insulator-silicon-insulator-metal nanoplasmonic slot waveguides.Applied Physics Letters，2011.99(15)：p.151114-3]，虽然解决了上述问题，但是结构复杂。上述报道中虽然利用了场效应引起的电荷密度的变化，但是这种电荷密度的变化只是体现为一种平均效应引起SPP模式传输损耗的变化，而本发明的关键却在于电荷密度的空间分布及其对电磁场的影响，这对于我们在更为细微的尺度上实现对电磁场的动态控制是至关重要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对光电子器件中常用的硅和III-V族半导体材料与金属构成的SPP波导中光场限制和损耗之间的矛盾，以及难于实现SPP波调控的问题，提供一种具有MIS电容结构的表面等离子体激元波导(简称MIS电容结构的SPP波导)，它结构简单，不仅可以在不大大增加损耗的情况下大大增强SPP模的光场限制，还可同时实现SPP波光场的调控。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的表面等离子体激元波导，是一种具有MIS电容结构的表面等离子体激元波导，该波导由自上而下排列的金属层、绝缘材料层、掺杂半导体层和衬底构成，其中衬底通过引线接地，金属层通过引线接外电压。

所述金属层可以为银层、金层，或在工作波段具有较小吸收损耗的金属材料层，例如：铝层；或者可替代上述金属的导电材料层，如透明导电氧化物(TCO)材料层、重掺杂半导体材料层。

所述绝缘材料层可以为氧化物材料层(如：二氧化锆层)，或者氮化物层(如：氮化硅层)等任何在工作波段具有较小吸收损耗的绝缘材料层。

所述衬底为可以半导体光电子器件中常用的InP衬底、GaAs衬底或Si衬底等。

所述金属层加正电或负电时，加正电或负电时，掺杂半导体层与绝缘材料层界面附近出现电荷积累、耗尽或者反转，由此通过外加电压改变掺杂半导体层与绝缘材料层界面附近半导体材料的复介电函数及其分布。

本发明中，当掺杂半导体层与绝缘材料层界面处的自由电荷密度足够高，使得对于频率为ω的电磁波而言掺杂半导体层界面处复介电函数的实部ε_r为负且绝对值大于绝缘材料层的介电常数时，在掺杂半导体层与绝缘材料层的界面处支持该频率的SPP模式。

本发明中，当掺杂半导体层与绝缘材料层界面处的自由电荷密度足够高，使得对于频率为ω的电磁波而言掺杂半导体层界面处复介电函数的实部ε_r为负时，界面附近存在与界面平行的正、负ε_r的交界面，该交界面上支持该频率的SPP模式。

所述的SPP模式与金属层和绝缘材料层的界面上所支持的SPP模式耦合在一起，形成混合SPP模式。当外加电压来变化时，该混合SPP模式的光场分布将发生显著的改变，利用这一特征不仅可以实现SPP模式传输的开启和关断，还可以控制其模场强度。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

①在硅和III-V族半导体材料中为了获得足够的自由电荷密度，通常可采用重掺杂的方法，但是提高掺杂浓度受到材料本身对杂质溶解度的制约。本发明提供的SPP波导中，一方面通过掺杂产生自由电荷，另一方面利用MIS电容结构中的电荷积累效应获得感应的自由电荷，掺杂产生的自由电荷与感应的自由电荷一起构成支持SPP的物质条件，从而降低了对半导体材料掺杂浓度的要求。

②本发明利用了半导体材料介于电介质和金属之间的特性，通过电荷密度及其分布的调控，使得对于频率为ω的电磁波而言，半导体层在接近绝缘材料层的部分区域呈现金属性(复介电函数的实部ε_r为负)，其他区域仍为电介质(ε_r为正)。当半导体层表面ε_r为负且绝对值大于绝缘材料时，在半导体层和绝缘材料层之间可支持该频率的SPP模式；正、负ε_r的人工交界面处也具有与金属-介质界面类似的支持该频率SPP模式的特性，上述SPP模式均具有极强的光场局域特性。

③光子集成要求大大减小光电子器件的尺寸，从而提高集成度，因此如何在提高光场限制作用的同时不引入大量的损耗是SPP波导器件有待解决的关键问题之一。本发明利用外加电场引起的MIS电容结构中半导体层表面的电荷积累效应，使得半导体与绝缘材料界面附近出现正、负ε_r的交界面，该人工界面上支持的SPP模式与金属层和绝缘材料层界面支持的SPP模式耦合在一起产生混合SPP模式，其损耗与金属层和绝缘材料层界面支持的SPP模式相比只增加数倍，但其光场局域特性显著增强。因此可以解决硅和III-V族半导体材料与金属构成的SPP波导中光场限制和损耗之间的矛盾。

④本发明中当改变外加偏置电压时上述混合SPP模式的光场分布将发生显著的改变，具体表现为半导体层与绝缘材料层界面附近光场的增强和减弱，甚至混合SPP模式消失，因此，通过改变外加电压，可以实现这种SPP模式传输的开启和关闭，以及光场强度的调控。本发明中SPP波的调控仅通过外加偏置电压实现，并不依赖于材料的光学非线性效应(电光效应、热光效应等)，因此可实现简便、高效的SPP波调控。

⑤本发明提供的MIS电容结构的SPP波导器件中，如果半导体材料采用III-V族半导体材料，则可以方便地在半导体层中引入增益介质，并通过横向注入的方式向增益区注入载流子，从而实现上述混合SPP模式传输损耗的补偿。另一方面III-V族半导体材料通常具有较高的非线性系数，如优点③所述在正、负ε_r的交界面出现的光场局域特性的增强，将有利于各种光学非线性效应的实现。

附图说明

图1为本发明MIS电容结构的SPP波导结构和器件一种实施例的结构示意图。

图2为实施例的MIS电容结构中电压取不同值时半导体层电子浓度在界面附近的分布。

图3为V_g＝23V时掺杂半导体层3与绝缘材料层2界面处支持的SPP模式(Mode#1)的场分布。

图4为V_g＝23V时正、负ε_r的交界面处支持的SPP模式(Mode#2)的场分布。

图5为Vg=16V时正、负ε_r的交界面处支持的SPP模式（Mode#2）的场分布。

图6为不加电压时金属层1和绝缘材料层2界面支持的SPP模式的场的分布。

图7为V_g=8V时金属层1和绝缘材料层2界面支持的SPP模式的场分布。

图8为V_g=10V时混合SPP模式的场分布。

图中：1.金属层；2.绝缘材料层；3.掺杂半导体层；4.衬底。横坐标y表示到绝缘材料层2和掺杂半导体层3界面的垂直距离。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1.MIS电容结构的SPP波导

参见图1，所述SPP波导是由自上而下排列的金属层1、绝缘材料层2、掺杂半导体层3和衬底4构成。

所述金属层1可以采用银(Ag)层。

所述绝缘材料层2可以采用二氧化锆(ZrO₂)层。

所述掺杂半导体层3可以采用与InP晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As半导体层。掺杂半导体层的厚度至少应大于35nm以保证半导体层界面附近可以出现正、负ε_r的交界面。

所述衬底4可以为InP衬底。

所述绝缘材料层的材料和厚度的选取对所述器件特性的实现具有决定性的作用，当绝缘材料的介电常数较低时，MIS结构的电容较小，不利于在半导体与绝缘材料的界面上积累更多的电荷，因此绝缘材料层可选择高介电常数的材料(如：Al₂O₃，ZrO₂，HfO₂，La₂O₃，Y₂O₃等)。另一方面，当外加电压过高时，可能引起绝缘材料的击穿，从而使得器件失效，因此，应选择抗电击穿性能好的绝缘材料，且绝缘材料的厚度尽量小(≤10nm)。厚度小时材料的生长缺陷少，一般具有更好的抗电击穿性能，减小厚度还使得MIS结构的电容增加，更有利于电荷的积累。

实施例2.用于1550nm光通信波段(光子能量约为0.8eV)的MIS电容结构的SPP波导

参见图1，所述SPP波导是由自上而下排列的金属层1、绝缘材料层2、掺杂半导体层3和衬底4构成，其中：

所述金属层1可以采用厚度为100nm银(Ag)。

所述绝缘材料层2可以采用厚度为10nm的二氧化锆(ZrO₂)。

所述掺杂半导体层3可以采用与InP晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As，厚度为50nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，采用N型掺杂。其中In_0.53Ga_0.47As掺杂浓度的选取考虑到了本征In_0.53Ga_0.47As材料在光通信窗口(～0.8eV)存在本征吸收的问题。In_0.53Ga_0.47As的直接带隙为0.74eV，通过掺杂可以提高其导带的费米能级，从而将本征吸收边向更高光子能量(短波长)方向推移。计算结果表明，当In_0.53Ga_0.47As的掺杂浓度大于5×10¹⁸cm^-3时，本征吸收边将在1eV以上，从而可以避免光通信窗口有较大的吸收。

所述衬底4为InP衬底。购买的InP衬底厚度一般为350微米，在制作器件之前一般要减薄到100多微米。

当金属层1所接电压V_g大于零时，掺杂半导体层3与绝缘材料层2的界面附近出现电子积累，由Poisson方程可求出V_g取不同值时掺杂半导体层3中电子浓度在界面附近的分布，如图2所示。所述Poisson方程为

其中：

为电势，n为电子密度，N_d 为杂质浓度，q为单位电荷，ε_s为半导体的介电常数。

根据自由电子气的Drude模型可以得出电子积累层半导体材料的复介电函数。计算结果表明外加电压不为零时从掺杂半导体层3与绝缘材料层2界面到掺杂半导体层3的内部，复介电函数的实部ε_r由小变大，且当电压越大时，掺杂半导体层3与绝缘材料层2界面处的ε_r越小，当所加电压V_g＝10V时，掺杂半导体层3与绝缘材料层2界面处的ε_r达到负值；当V_g≥23V时，掺杂半导体层3与绝缘材料层2界面处ε_r的绝对值大于ZrO₂的介电常数(ZrO₂的介电常数在15～25之间，计算中取20)，这时在该界面上满足支持SPP模式(Mode#1)的条件，采用Comsol软件计算所得V_g＝23V时该SPP模式电场的分布如图3所示，证明了本发明优点①所述通过增加感应自由电荷达到支持SPP条件的方法是可行的。在正、负ε_r的交界面处，还可以找到另一个SPP模式(Mode#2)，其电场分布如图4所示。当10V≤V_g＜23V时，掺杂半导体层3与绝缘材料层2界面支持的SPP模式(Mode#1)消失，但正、负ε_r的交界面支持的SPP模式(Mode#2)仍存在，以Vg＝16V为例，电场分布如图5所示。上述结果证明了本发明优点②所述掺杂半导体层3和绝缘材料层2的界面，和正、负ε_r的人工交界面支持的SPP模式的存在性，以及上述SPP模式极强的光场局域特性。

上述正、负ε_r的交界面支持的SPP模式与金属层1和绝缘材料层2界面支持的SPP耦合可以形成混合SPP模式。不加电压时，只存在金属层1和绝缘材料层2界面支持的SPP模式，其电场分布如图6所示；当V_g取8V时，虽然不存在正、负ε_r交界面支持的SPP模式(Mode#2)，但是由于掺杂半导体层3与绝缘材料层2界面附近ε_r较小，可产生类似于狭缝波导的效应，电场集中分布在ε_r较小的区域，如图7所示；当V_g取10V时，正、负ε_r的交界面支持的SPP模式(Mode#2)存在，混合SPP模式的电场分布如图8所示。比较图6～8可发现，当电压增加时，电场分布发生明显变化，表现为电场向正、负ε_r的交界面附近聚集，与不加电压的情况相比，V_g为8V和10V时其电场的峰值分别提高了1个和2个数量级；图6～8所示的三种情况下，模式有效折射率分别为3.57-0.04i，3.47-0.05i，3.37-0.17i，比较其模式有效折射率虚部可知：与不加电压的情况相比，V_g为8V和10V时该模式的损耗仅为原来的1.25倍和4.25倍。上述结果证明了本发明优点②所述该混合SPP模式的强局域特性，以及优点③所述该混合SPP模式光场局域性的显著增强并不以损耗同量级的增加为代价。

上述对于实施例的计算结果中，外加电压是唯一变化量，证明了本发明优点④所述SPP调控实现方式的简便和高效性。

以上SPP波导材料和结构的选取只是本发明的一种实施例，本发明并不局限于上述实施例。

本发明的创新点是将MIS结构应用于SPP波导器件和SPP波的调控，其制作工艺可借鉴III-V族半导体光电子器件的制作工艺。

所述III-V族半导体光电子器件的制作工艺包括：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备进行半导体材料的外延生长、采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备淀积氧化物(绝缘材料)，采用电子束蒸发设备、等离子增强磁控溅射设备制备金属层，这些均是半导体领域中常用的制作工艺。

具体制作过程取决于所采用的材料和结构尺寸等的要求，实际制作中，为了避免在衬底上直接生长掺杂半导体层可能带来的晶体生长质量，可能需要在掺杂半导体层3和衬底4之间增加低掺杂的In_0.53Ga_0.47As缓冲层。

Claims

1.一种表面等离子体激元波导，其特征是一种具有MIS电容结构的表面等离子体激元波导，该波导由自上而下排列的金属层(1)、绝缘材料层(2)、掺杂半导体层(3)和衬底(4)构成，其中衬底(4)通过引线接地，金属层(1)通过引线接外电压。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体激元波导，其特征是所述金属层(1)为银层、金层，或在工作波段具有较小吸收损耗的可替代上述金属的导电材料层。

3.根据权利要求1所述的表面等离子体激元波导，其特征是所述绝缘材料层(2)为在工作波段具有较小吸收损耗的绝缘材料层，其包括氧化物材料层或氮化物层。

4.根据权利要求1所述的表面等离子体激元波导，其特征是所述掺杂半导体层(3)采用与衬底晶格匹配的硅或III-V族半导体层。

5.根据权利要求1所述的表面等离子体激元波导，其特征是所述衬底(4)为InP衬底、GaAs衬底或Si衬底。

6.根据权利要求1所述的表面等离子体激元波导，其特征是金属层(1)加正电或负电时，掺杂半导体层(3)与绝缘材料层(2)界面附近出现电荷积累、耗尽或者反转，由此通过外加电压改变掺杂半导体层(3)与绝缘材料层(2)界面附近半导体材料的复介电函数及其分布。

7.根据权利要求6所述的表面等离子体激元波导，其特征是当掺杂半导体层(3)与绝缘材料层(2)界面处的自由电荷密度足够高，使得对于频率为ω的电磁波而言掺杂半导体层(3)界面处复介电函数的实部ε_r为负且绝对值大于绝缘材料层(2)的介电常数时，在掺杂半导体层(3)与绝缘材料层(2)的界面处支持该频率的SPP模式。

8.根据权利要求6所述的表面等离子体激元波导，其特征是当掺杂半导体层(3)与绝缘材料层(2)界面处的自由电荷密度足够高，使得对于频率为ω的电磁波而言掺杂半导体层(3)界面处复介电函数的实部ε_r为负时，界面附近存在与界面平行的正、负ε_r的交界面，该交界面上支持该频率的SPP模式。

9.根据权利要求8所述的表面等离子体激元波导，其特征是所述的SPP模式与金属层(1)和绝缘材料层(2)界面上所支持的SPP模式耦合在一起，形成混合SPP模式；当外加电压来变化时，该混合SPP模式的光场分布将发生显著的改变，利用这一特征实现SPP模式传输的开启和关断，以及控制SPP模式的模场强度。