一种等离激元有源波导开关器件制造技术

本发明专利技术涉及一种等离激元有源波导开关器件，其特征在于，包括在GaAs衬底上生长的数层垂直排列的InAs量子点层，每个InAs量子点层上覆盖有In

An active waveguide switch device with plasmon polaritons

The present invention relates to a plasmon active waveguide switch device, which is characterized in that a plurality of vertically arranged InAs quantum dot layers are grown on a GaAs substrate, and each InAs quantum dot layer is covered with In

【技术实现步骤摘要】
一种等离激元有源波导开关器件
本专利技术涉及一种基于金属-半导体有源区-金属平行板波导结构的等离激元有源波导开关，属于纳米光子学应用领域。
技术介绍
利用表面等离激元的亚波长特性，光能被约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域，因此表面等离激元器件可以用来制作高集成度的纳米光子芯片。目前，纳米光子平面集成应用中，主要有两种多层异质结构：一是将金属薄膜嵌入介质材料中，形成介质-金属-介质(IMI)结构；二是在金属材料中引入一条介质的缝隙，形成金属-介质-金属(MIM)结构。IMI结构和MIM结构中表面等离激元的传输损耗主要来自于金属层。一般来说，对光约束能力强、空间尺寸小的结构会伴随着较大的损耗。IMI结构是牺牲对光的空间约束能力而获得较小的损耗和较大的传输长度；而MIM结构则是以较大的损耗来换取对光更强的约束能力。对纳米光子器件的集成度要求越高，意味着对光要求更强的约束能力，这时MIM结构更适合。为解决MIM结构中金属内在吸收特性引起的表面等离激元的损耗问题，可以在多层异质结构中引入增益介质，比如将MIM中介质层替换为半导体增益介质来降低甚至抵消表面等离激元的传输损耗，但也存在电泵浦阈值电流高、增益效应微弱等缺点，不足以用来实现表面等离激元光信号的放大调制应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：满足纳米光子集成电路对纳米小尺寸紧凑结构和超快速信号调制的需求。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供了一种等离激元有源波导开关器件，其特征在于，包括在GaAs衬底上生长的数层垂直排列的InAs量子点层，每个InAs量子点层上覆盖有In0.17Ga0.83As量子阱层，相邻两个InAs量子点层由一层p-GaAs空间隔离层隔离，InAs量子点层及p-GaAs空间隔离层构成有源增益介质，在有源增益介质两端分别生长有n型AlGaAs掺杂层及p型AlGaAs掺杂层，采用化学刻蚀和金属键和技术，在n型AlGaAs掺杂层和p型AlGaAs掺杂层上各制作有5纳米厚的可用作电极的双面金属。优选地，所述In0.17Ga0.83As量子阱层为5纳米厚。优选地，所述n型AlGaAs掺杂层为10纳米厚；所述p型AlGaAs掺杂层为10纳米厚。在本专利技术中，双面金属波导结构能将表面等离激元横磁模式局域在紧邻金属界面处。减小金属层的厚度，可以增加整个波导器件的等效折射率。因此，本专利技术中金属层厚度设为5纳米左右。为防止电泵浦时电极与增益材料连接处发生载流子的非平衡分布和复合，在增益材料的顶部和底部引入n掺杂层和p掺杂层，载流子通过这些层注入增益区。开关器件的性能与有源区的厚度有关，当金属层厚度各为5纳米时，增加有源区的厚度可以提高增益效果，因此本专利技术中有源区为100纳米。在本专利技术中，由于多层InAs量子点处于In0.17Ga0.83As层之间，因而会形成以InAs量子点充当势阱和In0.17Ga0.83As层充当势垒的量子阱结构。该结构不仅可以对载流子产生量子限制作用，以便获得1.3微米波长的发光，而且还会限制光子的物理行为。如果对该结构施加一个正向偏压，将会产生电子和空穴的注入，有源区中的载流子被InAs量子点所俘获，其后再弛豫到最低的量子化能级中，结果将形成导带与价带之间的载流子反转分布，进而在量子点有源区产生增益。当输入表面等离激元光信号波长为器件所设计的1.3微米时，伴随着电子与空穴的复合，光信号的放大现象会随之产生。本专利技术在具备MIM型表面等离激元器件同样的小尺寸特点外，具有电泵浦时阈值电流低、信号调制能力强的优点。附图说明图1为本专利技术提供的一种一种等离激元有源波导开关器件的示意图，图中：M1表示金属板、M2表示金属板、Pcladding表示P型AlGaAs掺杂层、Spacer表示P型掺杂GaAs空间隔离层、QD表示半导体量子点，QW表示InGaAs量子阱层。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。结合图1，本专利技术提供的一种等离激元有源波导开关器件的制作过程为：第一步、在GaAs衬底上采用Stranski-Krastanov等半导体工艺生长5层垂直排列的InAs量子点层。在InAs量子点层上覆盖有5纳米厚的In0.17，Ga0.83As量子阱层，并且相邻两个InAs量子点层之间通过一个厚45纳米的p-GaAs空间隔离层隔离，以便缓解应变效应导致材料光学性能变差的问题。第二步、在第一步得到的有源增益介质两端分别生长10纳米厚的n型AlGaAs掺杂层和p型AlGaAs掺杂层，电泵浦时为增益区提供载流子。采用化学刻蚀和金属键和技术，在n型AlGaAs掺杂层和p型AlGaAs掺杂层上制作各有5纳米厚的双面金属，将半导体层封装在金属中，实现金属-半导体有源区-金属平行板波导结构。使用时，将金属板用作电极，连接电源。当电极上的电压或电流接通时，处于导通状态，此时相应波长的等离激元光子在半导体有源区产生增益，实现信号放大。当电极上的电压或电流关断时处于关断状态，半导体有源区材料表现出高损耗，信号减弱。通过调整电极上的电压或电流大小，就可以实现等离激元光子信号的开关调制。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离激元有源波导开关器件，其特征在于，包括在GaAs衬底上生长的数层垂直排列的InAs量子点层，每个InAs量子点层上覆盖有In

【技术特征摘要】
1.一种等离激元有源波导开关器件，其特征在于，包括在GaAs衬底上生长的数层垂直排列的InAs量子点层，每个InAs量子点层上覆盖有In0.17Ga0.83As量子阱层，相邻两个InAs量子点层由一层p-GaAs空间隔离层隔离，InAs量子点层及p-GaAs空间隔离层构成有源增益介质，在有源增益介质两端分别生长有n型AlGaAs掺杂层及p型AlGaAs掺杂层，采用化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟旭，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海,31