CN107508023A - 一种介质填充的金属光栅‑半导体spp源及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质填充的金属光栅‑半导体复合结构的SPP源及其制作方法。该介质填充的金属光栅‑半导体复合结构的SPP源其结构主要包括：第一金属层、衬底、半导体外延层、第二金属层、介质层。其中，第二金属层包括金属光栅结构，介质层填充金属光栅。介质层起到波导作用，将传播的SPP限制在波导层中传播，提高光的输出光的萃取效率，单向耦合效率以及单向比。

Description

一种介质填充的金属光栅-半导体SPP源及其制作方法

技术领域

本发明涉及表面等离激元器件及其制作方法。更具体地，涉及一种具有介质填充的金属光栅-半导体结构的电注入表面等离激元器件及其制作方法。

背景技术

现代高容量信息处理技术对微型化的集成电路器件提出了更高需求，然而传统的介质光波导器件受制于光子波动性的影响无法突破衍射极限的限制，难以进一步缩小器件尺寸。表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)能够把入射光局域在金属表面亚波长的区域，为解决上述问题提供了新的思路，对于实现兼具纳米电子器件的极小特征尺寸和介质光学的超高传输速度具有至关重要的意义。表面等离激元是由外部电磁场诱导金属结构表面自由电子或束缚电子的集体振荡现象，它可以突破衍射极限制约，在纳米尺度下实现对光的调制以及增强光与物质的相互作用。

为了把自由空间中传播的光波耦合到等离激元体系中，并转化为方向可控的表面等离激元，研究者主要通过特殊设计的耦合界面来实现。然而目前报道的对SPP传播特性调控的研究中，通常采用外置光源来实现，无法实现微型化的光电集成。为了彻底摆脱外置光源的限制，研究者们提出了将承载SPP功能的金属结构制备于有源的半导体表面。

然而，目前研究仍处于起步阶段，如何高效地将有源区的发光耦合至金属微纳结构形成SPP仍然是集成SPP源的研究中存在的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有介质填充的金属光栅-半导体结构的电注入SPP源，介质层起到波导作用，将传播的SPP限制在波导层中传播，提高光的输出光的萃取效率，单向耦合效率以及单向比。

本发明的另一个目的是提供一种具有介质填充的金属光栅-半导体结构的电注入SPP源的制作方法，采用聚焦离子束刻蚀工艺制备金属光栅结构，采用旋涂方法制备介质层，工艺简单，工艺兼容性高。

本发明提供一种介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源，其结构主要包括：第一金属层、衬底、半导体外延层、第二金属层、介质层。其中，第二金属层包括金属光栅结构，介质层填充金属光栅。

本发明的SPP源，其中介质层主要具有以下两方面作用：第一，由于介质层的折射率介于半导体材料和空气之间，利用折射率的渐变，可以提高输出光的萃取效率；第二，介质层起到波导作用，可以将传播的SPP限制在波导层中传播，并且可通过介质层厚度的变化调节光的单向耦合效率以及单向比。

本发明的SPP源，其中半导体外延层包括有源区。优选地，所述有源区包括量子阱、量子点或PN结，或本领域常用其他可以有源结构。

本发明的SPP源，优选地，第一金属层与衬底形成欧姆接触。

本发明的SPP源，优选地，第二金属层厚度大于50nm。优选地，所述第二金属层厚度在100-200nm之间。

本发明的SPP源，可选地，金属光栅倾斜。优选地，金属光栅倾斜角度为20-60°。优选地，金属光栅倾斜角度为50°。

本发明的SPP源，其中，介质层在金属光栅之中填充，且所述介质上表面高出所述第二金属层的上表面。

本发明的SPP源，优选地，金属光栅下表面至介质层上表面的高度大于20nm。优选地，金属光栅下表面至介质层上表面的高度在150nm至300nm之间。

本发明的SPP源，优选地，第二金属层材料为金、银、铝、铜、铂、钯、镁之一和/或合金。可选地，在第二金属层材料与半导体材料之间还包括第三金属层，以提高第二金属层与半导体材料的粘附性和/或欧姆接触。

另外，本发明还提供了一种上述介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：在衬底上形成半导体外延层，其中，所述半导体外延层包括有源区。

步骤二：在衬底背面形成第一金属层；可选地，采用退火工艺减低第一金属层与衬底之间的接触电阻。

步骤三：在半导体外延层上表面形成第二金属层。优选地，第二金属层材料为金、银、铝、铜、铂、钯、镁之一和/或合金。可选地，在第二金属层材料与半导体材料之间还包括第三金属层，以提高第二金属层与半导体材料的粘附性和/或欧姆接触。

步骤四：采用聚焦离子束刻蚀在第二金属层表面形成金属光栅结构。可选地，金属光栅倾斜。优选地，金属光栅倾斜角度为20-60°。优选地，金属光栅倾斜角度为50°。

形成倾斜金属光栅的方法：采用倾斜的聚焦离子束刻蚀系统制作。优选地，聚焦离子束刻蚀电压不高于30kV，束流不高于50pA。

步骤五：介质层在填充金属光栅结构内部及覆盖表面。

本发明形成介质层的方法，可选地，在第二金属层表面通过旋涂方法形成介质层，采用曝光及显影工艺，保留金属光栅结构内部及周围的介质层。优选地，旋涂采用多次旋涂方法，以获得平整的介质层上表面。优选地，转速为4000-10000转/分钟，分3-5次旋涂。

本发明形成介质层的方法，可选地，在第二金属层表面通过旋涂方法形成介质层，采用电子束曝光，保留金属光栅结构内部及周围的介质层。优选地，旋涂采用多次旋涂方法，以获得平整的介质层上表面。优选地，转速为4000-10000转/分钟，分3-5次旋涂。

步骤六：在半导体外延层上刻蚀出器件单元。可选地，步骤6)的工艺可以在步骤一或步骤二之后进行。

可选地，步骤二替换为，步骤二：在半导体外延层上刻蚀，直至露出有源区下方的n型半导体层或者p型半导体层，然后在露出的半导体层上第一金属层。可选地，采用退火工艺减低第一金属层与衬底之间的接触电阻。

本发明具有如下优点和有益技术效果：

1)本发明在制作方法上，采用聚焦离子束刻蚀工艺制备金属光栅结构，采用旋涂方法制备介质层，工艺简单，工艺兼容性高。

2)本发明通过特殊设计的光栅结构和介质层厚度，在一定条件下可以获得较高耦合效率和单向比的SPP源，SPP传播方向由介质层的光学厚度决定，当填充的介质层厚度较薄时，SPP传播方向与光栅倾斜方向相同，当填充的介质层厚度等于或大于第二金属层厚度时，SPP传播方向与光栅倾斜方向相反。

附图说明

图1为本申请实施例1的步骤一截面图；

图2为本申请实施例1的步骤二截面图；

图3为本申请实施例1的步骤三截面图；

图4为本申请实施例1的步骤四截面图；

图5为本申请实施例1的步骤五截面图；

图6(a)为本申请实施例1的步骤六截面图；

图6(b)为本申请为图6(a)不包括介质层51时的俯视图；

图6(c)为本身图6(a)的俯视图；

图7采用FDTD solution软件模拟的实施例一中Au光栅、介质层与空气界面位置的场强分布；

图8为本申请实施例2的最终器件结构截面图。

具体实施方式

以下通过具体较佳实施例结合附图对本发明的介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源及其制作方法做进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。

以发光波长范围为0.5-1.6μm的GaAs基或InP基半导体材料为例，结合附图来说明本发明所述的介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源及其制作方法。

实施例1

一种介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源的制作方法，包括以下工艺步骤：

步骤一：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法在N型GaAs衬底11上生长GaAs基外延材料。外延材料包括N型AlGaAs 12，量子阱13，及P型AlGaAs盖层14。如附图1所示。其中量子阱电致发光的中心波长为850nm。

步骤二：在GaAs衬底11背面蒸发Ti/Au金属层21，用于和N型GaAs衬底形成欧姆接触。如附图2所示。

步骤三：P型AlGaAs盖层表面蒸发Au 31，厚度为200nm。如附图3所示。

步骤四：采用聚焦离子束刻蚀在P型AlGaAs盖层表面的Au表面形成倾斜Au光栅结构，得到具有光栅结构的Au层41。其中，Au光栅倾斜角度为50°。针对量子阱发光波长为850nm，刻蚀周期为810nm，刻蚀光栅槽数量为8个，每条槽长度为6μm，即，得到的光栅区域为8.91μm×6μm。刻蚀电流电压采用30kV，20pA。如附图4所示。

步骤五：P型AlGaAs盖层表面的Au表面分三次旋涂光刻胶，其中，所述光刻胶质量分数为3.6％，旋涂转速为8000转/分钟。固化后在光栅部分填充的介质层厚度为250nm，所述光刻胶固化后折射率为1.61。采用曝光及显影工艺，保留Au光栅结构内部及周围的介质层，例如，所述介质层范围为10.91μm×8μm。如附图5所示。

步骤六：在半导体外延层上刻蚀出器件单元，如附图6(a)所示。图6(b)为图6(a)不包括介质层51时的俯视图。

结合图6(a)和图6(c)制作出的器件结构截面图和俯视图，当金属光栅沿x轴正方向倾斜时，电流注入使得器件正常发光后，SPP沿x轴负方向传播。

图7所示为采用FDTD solution软件模拟的实施例一中的场强分布图，为方便观察，只给出Au光栅、介质层与空气界面位置的场强分布。可以明显看出SPP沿着倾斜光栅的相反方向传播。

实施例2

一种介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源的制作方法，包括以下工艺步骤：

步骤一：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法在蓝宝石衬底71上生长GaN基外延材料。外延材料包括N型GaN 72，量子阱73，及P型GaN盖层74。其中量子阱电致发光的中心波长为550nm。

步骤二：在半导体外延层上刻蚀出器件单元，露出N型GaN 72。

步骤三：在刻蚀出的N型GaN表面蒸发Cr/Au 75，用于和N型GaN形成欧姆接触。

步骤四：P型GaN盖层表面蒸发Ag 150nm。

步骤五：采用聚焦离子束刻蚀在P型GaN盖层表面的Ag表面形成倾斜Ag光栅结构，得到具有光栅结构的Ag层76。其中，Ag光栅倾斜角度为40°。针对量子阱发光波长为550nm，刻蚀周期为500nm，刻蚀光栅槽数量为11个，每条槽长度为5μm，即，得到的光栅区域为4.5μm×5μm。刻蚀电流电压分别采用30kV，10pA。

步骤六：P型GaN盖层表面的Ag表面分四次旋涂光刻胶介质层，其中，所述光刻胶质量分数为2％，旋涂转速为8000转/分钟。固化后在光栅部分填充的介质层厚度为200nm，所述光刻胶固化后折射率为1.61。

采用曝光及显影工艺，保留Ag光栅结构内部及周围的光刻胶层77，例如，所述介质层范围为6.5μm×7μm。图8为本申请实施例2的最终器件结构截面图。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源，其特征在于：包括第一金属层、衬底、半导体外延层、第二金属层及介质层；所述第二金属层包括金属光栅结构，所述介质层填充该金属光栅。

2.如权利要求1所述的介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源，其特征在于：所述有源区包括量子阱、量子点或PN结；所述第一金属层与衬底形成欧姆接触；所述第二金属层厚度在100-200nm之间。

3.如权利要求2所述的介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源，其特征在于：所述金属光栅倾斜，其倾斜角度为20-60°；优选倾斜角度为50°。

4.如权利要求2所述的介质填充的金属光栅-半导体复合结构的SPP源，其特征在于：所述介质层在金属光栅之中填充，且所述介质上表面高出所述第二金属层的上表面；所述金属光栅下表面至介质层上表面的高度在150nm至300nm之间。

5.一种具有介质填充的倾斜金属光栅-半导体结构的电注入SPP源的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在衬底上形成半导体外延层，其中，所述半导体外延层包括有源区；

步骤二：在衬底背面形成第一金属层；

步骤三：在半导体外延层上表面形成第二金属层；

步骤四：采用聚焦离子束刻蚀在第二金属层表面形成金属光栅结构；

步骤五：介质层在填充金属光栅结构内部及覆盖表面；

步骤六：在半导体外延层上刻蚀出器件单元。

6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于：步骤二中，在半导体外延层上刻蚀，直至露出有源区下方的n型半导体层或者p型半导体层，然后在露出的半导体层上形成第一金属层；采用退火工艺减低第一金属层与衬底之间的接触电阻。

7.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于：步骤三中，所述第二金属层材料为金、银、铝、铜、铂、钯、镁之一和/或合金，在所述第二金属层材料与半导体材料之间还包括第三金属层。

8.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于：步骤四中，所述金属光栅倾斜；形成倾斜金属光栅的方法为：采用倾斜的聚焦离子束刻蚀系统制作；其中，聚焦离子束刻蚀电压不高于30kV，束流不高于50pA。

9.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于：还包括步骤，在第二金属层表面通过旋涂方法形成介质层，采用电子束曝光，保留金属光栅结构内部及周围的介质层。

10.如权利要求9所述的制作方法，其特征在于：旋涂采用多次旋涂方法，获得平整的介质层上表面；转速为4000-10000转/分钟，分3-5次旋涂。