CN111293196A - 电驱动光学天线光源及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电驱动光学天线光源及其制作方法，该光源包括：SOI基底、金属电极、硅波导和纳米尺度的光学天线；金属电极和硅波导均设置在所述SOI基底的表面，金属电极分别与所述外接电路的高压端和低压端连接；硅波导分别与金属电极连接且硅波导之间形成一个沟槽；光学天线位于所述沟槽内与两个硅波导接触，光学天线包括金属纳米颗粒以及均匀覆盖在其外表面的一层绝缘介质层。本发明具有响应速度快、耦合效率高、集成度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于硅基集成光源技术领域，尤其涉及一种电驱动光学天线光源及其制作方法。
背景技术
自从20世纪90年代硅基光电集成回路展现出高速优势之后，可直接与硅基光子回路集成的电激发的片上光源便成为了这个领域的一个发展重点。但是，硅作为一种带隙为1.12eV的间接带隙半导体，内部被激发的电子只有在出现带间直接跃迁或者声子、杂质辅助的带内跃迁等情况下才能辐射光子。这些效应发生的概率大都极低，直接阻碍了硅基集成光源的发展。现阶段研究人员已经利用硅PN结、硅量子点、铒掺杂硅、硅锗复合纳米结构、硅基拉曼激光以及直接在硅上生长Ⅲ-Ⅴ族发光二极管等方法实现了可集成光源的构建。
但是，对于现有的基于半导体的自发辐射效应构建出来的光源，受限于半导体内部的电子空穴对的寿命，理论上这些光源的工作频率上限在GHz量级。并且这类光源的尺寸一般都在数十微米量级。这都限制了硅基光电集成回路的工作速度以及集成度。因此，寻找具有更高工作频率上限以及更小空间尺寸的可集成光源是目前领域内的重要问题之一。通过光学天线构建光源便是可能的解决方案之一。
光学天线可以类比于常见的微波天线，是一种工作在可见光和近红外波段，能够实现自由空间内传播的电磁波与局域场之间互相转换的器件。通常情况下，光学天线由远小于电磁波波长的金属纳米结构构成，例如单个金属纳米颗粒。当自由空间的电磁波与光学天线耦合后，金属中的自由电子气会被诱导激发等离激元。光学天线的响应特性会受到自身结构以及外界介电环境的影响，对不同频率的电磁波表现出不同的响应特性，并在共振波段的获得最强的光学响应。同时，光学天线也可以作为一个高效的耦合器将自由空间中的电磁波耦合进入诸如硅波导之类的光波导之中。光学天线在被光驱动之外，还可以被电直接驱动，实现电光之间的转换。
自从1976年Lambe&McCarthy在实验上发现，对薄绝缘层隔离的金属-绝缘层-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)隧穿结施加偏压后，可以观察到发光的现象。同时，他们在理论上对这一现象进行解释，提出了非弹性隧穿发光(Light Emission via InelasticTunneling,LEIT)的概念。之后，2015年Bert Hecht以及Lukas Novotny等利用类似方法实现了对光学天线的电驱动，从而引出了发光隧穿结(Light Emitting Tunnel Junction，LETJ)电驱动光学天线(Electrically Driven Optical Antennas，EDOA)的概念。这类电驱动的光源主要是通过隧穿过程中发生非弹性散射的一种基于隧穿电子散射激发驱动的非基于半导体能带结构的光学天线发光光源，一般由隧道结和光学天线组合构成。在对隧道结施加偏压后，电子在通过薄势垒层时存在一定的概率发生非弹性散射而损失能量。电子损失的能量会转移到光学天线内部的局域场中，经过光学天线调制变成自由空间中的辐射光或者耦合进入临近的光波导内。这类光源的电光转换效率正比于光学天线的局域光学态密度(Local Density of Optical State，LDOS)。
自从1976年在金属-绝缘层-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)隧穿结上观察到发光现象后，同样在金属-绝缘层-半导体(Metal-Insulator-semiconductor，MIS)隧穿结上面观察到同样的发光现象。Lambe以及McCarthy指出，在MIS隧穿结发光过程中，表面等离激元起到了关键性的作用。同样的发光现象也在金属-绝缘层-半导体(Metal-Insulator-semiconductor，MIS)隧道结中观察到。在若忽略掉电路自身的电容-电阻回路的频率限制后，这种类型的光源的响应速度仅受限于电子隧穿通过势垒的时间以及局域场能量自身辐射衰减的时间。因此，在理论上这类光源的工作频率上限在10-100THz范围。同时，由于光学天线自身所具有的亚波长尺度特性，这将极大的减小光源的空间尺寸。小体积的优点也为优化外电路电容-电阻回路的频率扫清障碍。这些特点这为高速的可集成硅光电回路光源的设计提供了一个额外新的思路。基于费米黄金定则，在这类隧穿结中，结构的局域光学态密度(Local Density of Optical State，LDOS)会直接影响到电子的非弹性散射概率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种电驱动光学天线光源及其制作方法，该光源响应速度快、耦合效率高、集成度高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电驱动光学天线光源，包括基底、至少两个金属电极、两个硅波导和纳米尺度的光学天线，金属电极和所述两个硅波导均设置在基底的表面，两个硅波导分别与两个金属电极连接且两个硅波导之间形成一个沟槽；光学天线位于所述沟槽内与两个硅波导接触，光学天线包括金属纳米颗粒以及均匀覆盖在其外表面的一层绝缘介质层。光学天线整体由金属构成，光学天线整体由一个或者多个纳米尺度的金属纳米结构构成。硅波导在作为光传输途径的同时也起到电传输的作用。
按上述技术方案，金属电极分别与所述外接电路的高压端和低压端连接。
按上述技术方案，光学天线由表面包覆有均匀分布的绝缘介质层的金属纳米颗粒组成。光学天线整体结构的尺度在数十纳米到数百纳米区间。
按上述技术方案，绝缘介质层的厚度不超过5纳米。
本发明还提供一种电驱动光学天线光源的制作方法，该方法包括以下步骤，
步骤一，去除绝缘层上硅表面的自然氧化层；
步骤二，在基底表面悬涂紫外光刻胶作为掩膜层，通过紫外曝光在器件硅层表面定义出电极区域，在电极区域内沉积金属，沉积完成后，去除紫外光刻胶以及光刻胶表面的金属层；
步骤三，在已经制作完成电极的SOI基底上悬涂电子束光刻胶，通过电子束曝光在未被电极覆盖的区域内定义出硅波导所在的区域；
步骤四，利用反应离子束刻蚀对未被金属电极以及金属铬保护的器件硅层进行刻蚀，将器件硅层内未被保护的区域完全刻蚀；
步骤五，利用铬腐蚀液将硅波导上方的铬层去除；
步骤六，硅波导与光学天线之间的绝缘层的构建，利用自组装的单分子层作为绝缘层；
步骤七，为光源提供驱动电压，电压驱动半导体内部电子隧穿通过绝缘层，实现对金属光学天线的激发。金属光学天线被激发后，电能直接转换成光辐射并耦合进入硅波导之中。
按上述技术方案，所述步骤六中，通过向包含有分散的金纳米颗粒的溶剂中添加含有1-十一烷硫醇分子的溶液，搅拌后获得表面被单分子层均匀覆盖的金纳米颗粒。
本发明产生的有益效果是：本发明硅波导同时作为低损耗光波导以及与光学天线连接的电极，通过光学天线作为纳米尺度的光源以及针对硅波导的耦合结构，在施加偏置电压时，光学天线被隧穿电子激发发光并将发出的光耦合进硅波导之中。
电子可以直接在硅波导以及金属光学天线之间隧穿通过。电子在隧穿过程中由于发生非弹性散射损失能量，从而实现对光学天线的激发。电子损失的能量将转换成光学天线内部局域场的能量，并最终通过金属光学天线转换成在自由空间内的辐射光以及耦合进入硅波导内传输的光波。最终实现直接电激发的高速光学天线的硅波导光源。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例与硅基光电子学回路集成的电激发光学天线光源结构俯视图；
图2为本发明实施例与硅基光电子学回路集成的电激发光学天线光源侧视剖面图；
图3为本发明实施例光学天线表面覆盖的单分子层示意图；
符号说明：1-SOI基底，2-第一金属电极，3-第二金属电极，4-第一硅波导，5-第二硅波导，6-纳米天线，61-绝缘介质层，62-金属纳米颗粒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：一种与硅基光电子学回路集成的电驱动光学天线光源，具体构成由图1，图2，图3所示，包括基底1、第一金属电极2、第二金属电极3、第一硅波导4、第二硅波导5和光学天线6，金属电极和所述两个硅波导均设置在基底的表面，两个硅波导分别与两个金属电极连接且两个硅波导之间形成一个沟槽；光学天线位于所述沟槽内与两个硅波导接触，光学天线包括金属纳米颗粒62以及均匀覆盖在其外表面的一层绝缘介质层61。光学天线整体由金属构成，光学天线整体由一个或者多个纳米尺度的金属纳米结构构成。硅波导在作为光传输途径的同时也起到电传输的作用。金属电极分别与所述外接电路的高压端和低压端连接。绝缘介质层的厚度不超过5纳米。当施加驱动电压或者驱动电流时，硅波导内部的载流子以量子隧穿的方式通过硅波导与光学天线之间的绝缘介质层，其电流与电压表现出非线性关系。载流子在隧穿通过绝缘介质层时，发生非弹性散射并损失能量，损失的能量用于实现对光学天线的激发。光学天线在被激发后，将能量转换成可以自由传播的电磁波以及耦合进入硅波导中传播的电磁波。
实施例二：
整个光源的构建包括以下步骤：
首先建立硅波导与光学天线相结合的器件模型进行电磁仿真实验。利用comsol或者FDTD等数值仿真软件构建整个器件的模型结构，利用偶极子光源或平面光光源对结构进行激发，确认整体结构的光学响应谱以及不同波长对波导的耦合效率，通过调节波导的形貌、尺寸以及光学天线的材料、结构，获取最优情况。
在本实施例中，整个器件在SOI基底上构建，基底由上至下分别为220nm纳米器件硅层，3微米氧化硅绝缘层，500微米硅层。整个器件由220纳米的器件硅层构建，,包含有平行放置的两个硅波导以及一个由金纳米颗粒构建的光学天线共同构成。具体的制作方法如下：
步骤一，通过RCA清洗方法对SOI基底进行清洗，去除器件硅层表面的污染物，然后利用BOE溶液去除表面的自然氧化层。
步骤二，在基底表面悬涂紫外光刻胶作为掩膜层，通过紫外曝光在器件硅层表面定义出电极区域，通过物理沉积手段在电极区域内沉积铝/金等金属实现金属电极与器件硅层之间的低阻欧姆接触，沉积完成后，利用丙酮去除紫外光刻胶以及光刻胶表面的金属层。
步骤三，在已经制作完成电极的SOI基底上悬涂电子束光刻胶，通过电子束曝光在未被电极覆盖的区域内定义出硅波导所在的区域。在本实施例中采用聚甲基丙烯酸甲酯作为电子束光刻胶。显影完成后，利用热蒸发沉积金属铬，沉积完成后在热丙酮中去胶。
步骤四，利用反应离子束刻蚀对未被金属电极以及金属铬保护的器件硅层进行刻蚀，将器件硅层内未被保护的区域完全刻蚀。
步骤五，利用铬腐蚀液将硅波导上方的铬层去除。
通过步骤一到步骤五，实现所述器件中，硅波导以及用于与电路连接的电极的制作。
步骤六，硅波导与光学天线之间的绝缘层的构建。在本实施例中，利用自组装的单分子层作为绝缘层。通过向包含有分散的金纳米颗粒的溶剂中添加含有1-十一烷硫醇分子的溶液，搅拌24小时后便获得了表面被单分子层均匀覆盖的金纳米颗粒。
步骤七，通过滴涂方式，将经过修饰的金纳米颗粒滴在硅波导之间，完成结构构建。
对完成制作的器件进行光电表征。通过探针以及数字源表在器件上施加电压，利用显微镜系统对辐射出来的光进行收集，利用光谱仪实现对辐射光的光谱分析。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种电驱动光学天线光源，其特征在于，包括基底、至少两个金属电极、两个硅波导和纳米尺度的光学天线，金属电极和所述两个硅波导均设置在基底的表面，两个硅波导分别与两个金属电极连接且两个硅波导之间形成一个沟槽；光学天线位于所述沟槽内与两个硅波导接触，光学天线包括金属纳米颗粒以及均匀覆盖在其外表面的一层绝缘介质层。
2.根据权利要求1所述的电驱动光学天线光源，其特征在于，金属电极分别与所述外接电路的高压端和低压端连接。
3.根据权利要求1或2所述的电驱动光学天线光源，其特征在于，光学天线由表面包覆有均匀分布的绝缘介质层的金属纳米颗粒组成。
4.根据权利要求1或2所述的电驱动光学天线光源，其特征在于，绝缘介质层的厚度不超过5纳米。
5.一种电驱动光学天线光源的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，
步骤一，去除绝缘层上硅表面的自然氧化层；
步骤二，在基底表面悬涂紫外光刻胶作为掩膜层，通过紫外曝光在器件硅层表面定义出电极区域，在电极区域内沉积金属，沉积完成后，去除紫外光刻胶以及光刻胶表面的金属层；
步骤三，在已经制作完成电极的SOI基底上悬涂电子束光刻胶，通过电子束曝光在未被电极覆盖的区域内定义出硅波导所在的区域；
步骤四，利用反应离子束刻蚀对未被金属电极以及金属铬保护的器件硅层进行刻蚀，将器件硅层内未被保护的区域完全刻蚀；
步骤五，利用铬腐蚀液将硅波导上方的铬层去除；
步骤六，硅波导与光学天线之间的绝缘层的构建，利用自组装的单分子层作为绝缘层；
步骤七，为光源提供驱动电压，电压驱动半导体内部电子隧穿通过绝缘层，实现对金属光学天线的激发。
6.根据权利要求5所述的电驱动光学天线光源的制作方法，其特征在于，所述步骤六中，通过向包含有分散的金纳米颗粒的溶剂中添加含有1-十一烷硫醇分子的溶液，搅拌后获得表面被单分子层均匀覆盖的金纳米颗粒。
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