一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源及其制作方法技术

本发明专利技术公开一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，包括衬底、半导体量子阱外延层、金属层和耦合输出结构；所述半导体量子阱外延层负载在衬底表面；所述金属层负载在半导体量子阱外延层表面，所述耦合输出结构位于金属层中。本发明专利技术还公开了其制作方法，包括在衬底上生长半导体量子阱外延层；在所生长的半导体量子阱外延层上刻蚀出器件单元；在所刻蚀出的器件单元上沉积金属层；在所沉积的金属层中制备耦合输出结构。本发明专利技术的表面等离激元电致激发源采用半导体量子阱材料作为有源介质，基于近场耦合原理，量子效率高、发光波长范围大、激发效率高、制作工艺简单，便于集成，具有巨大的研究价值和应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源及其制作方法
本专利技术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-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源及其制作方法。
技术介绍
随着微电子集成电路的工作频率和集成度日益趋于物理极限，仅用电子作为信息载体已满足不了高速、大容量传输处理的要求。和电子回路相比，利用光子携带信息的光子集成回路具有频率高、损耗小和传输带宽高的优势，但是受衍射效应的影响，光子集成回路被限制在光波长量级，难以实现亚波长、纳米尺度下光的传输与控制。表面等离激元(SurfacePlasmonPolariton,SPP)具有比电子快的速度，并能突破衍射极限的限制。因此等离激元集成回路被认为是未来通讯和运算的主要信息处理器件。有源等离激元光子学功能器件，特别是表面等离激元的激发是等离激元集成回路发展需要解决的首要问题。激发表面等离激元通常采用的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来实现。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。人们对表面等离激元电致激发源的研究包括了以下几种代表性的方案，总体发展趋势是从有机发光材料向无机发光材料发展、从远场激发向近场耦合激发发展的发展历程。2008年奥地利D.M.Koller等首次报道了基于电注入的OLED、激发金属-介质-金属波导结构中的表面等离激元，实现了表面等离激元的电致激发[NaturePhoton.,2,684-687,2008]。但有机材料熔点低、难以用于集成回路中，所以后来的研究工作大都摒弃有机材料而采用无机发光材料。2010年荷兰R.J.Walters等以硅纳米晶为有源材料，利用近场耦合作用激发金属-介质-金属波导结构中的表面等离激元[NatureMater.,9,21-25,2010]，获得了电致表面等离激元激发源。该方法采用了与传统微电子集成回路兼容的工艺；但是，硅纳米晶发光的内量子效率低、仅约为1％，硅纳米晶发光波长可调范围小，仅涵盖600-900nm的范围。2010年比利时P.Neutens等基于GaAs量子阱LED电致发光，再让极小部分的光通过纳米狭缝耦合到金属-介质-金属波导而激发表面等离激元[NanoLett.,10,1429-1432,2010]；2012年南京大学L.Wang等采用类似的方法激发金属-空气界面波导上的表面等离激元[Opt.Exp.,20,8710-8717,2012]。但是此类方法的主要缺陷是中间存在发光过程、光电利用效率低。2012年斯坦福大学P.Y.Fan等基于半导体纳米线LED激发表面等离激元的方法[NanoLett.,12,4943-4947,2012]，虽然在波导耦合方面具有优势，但是同样存在量子效率低、发光波长可调范围小的缺陷。随着人们对无机半导体量子阱研究的深入，其发光波长涵盖了紫外到近红外(400-1600nm)的波段范围，与具有可见光、近红外光波段调制器和探测器的集成回路波段匹配，而且半导体量子阱材料的量子效率可以高达90％以上；减小金属波导和发光层的距离、增强两者的耦合作用，取消中间发光过程，直接激发表面等离激元，可以高利用效率地激发表面等离激元。专利CN103050591A介绍了一种采用半导体量子阱材料作为有源材料的表面等离激元激发源，该器件采用金属-介质-金属的三明治夹心结构，两个金属层之间距离非常小，中间介质层折射率较高，限制了光学模式的存在，可以激发金属-介质-金属波导结构中的表面等离激元，并使之沿着该波导结构传播，具有强的模式限制特性。利用半导体量子阱材料作为有源介质，发光波长范围大。但是，该器件存在一些不足之处。在结构和原理上，所激发的表面等离激元在金属-介质-金属波导中传播，由于模式限制强，表面等离激元的传播距离小，影响器件的应用。在工艺上，需要将半导体外延片键合到另外的硅衬底上、腐蚀掉原半导体外延片的衬底，然后再进行器件的制备工艺，这样导致其制备过程繁琐，工艺复杂，器件制备成功率低，难以规模化生产。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源。该激发源基于近场耦合原理，以半导体量子阱外延材料作为有源材料，量子效率高，发光波长范围大。在施加电注入后产生电子-空穴对，近场耦合激发金属和介质界面的表面等离激元，由耦合输出结构散射输出，沿耦合输出结构两侧的金属-空气界面的波导传播，波导结构类型为金属-空气，传播距离远。金属层在有源介质层的近场作用范围，介质-金属近场耦合，耦合效率高，便于集成。同时利用离子束刻蚀工艺制备金属层上的耦合输出结构，极大地简化了制备过程，工艺简单，得到了纯粹的激发源结构，便于器件集成，为表面等离激元集成回路的发展奠定基础。本专利技术的另一个目的在于提供一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源的制作方法。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，包括衬底、半导体量子阱外延层、金属层和耦合输出结构；所述半导体量子阱外延层负载在衬底表面；所述金属层负载在半导体量子阱外延层表面，所述耦合输出结构位于金属层中。半导体量子阱外延层具有宽发光波长范围、高量子效率的特点，能够减小金属波导和发光层的距离，增强两者的耦合作用，取消中间发光过程，直接激发表面等离激元，达到高效利用激发表面等离激元的效果。优选地，所述半导体量子阱外延层包括量子阱结构层和p型欧姆接触层；更优选地，所述量子阱结构层负载在衬底表面，所述p型欧姆接触层位于量子阱结构层与金属层之间。优选地，所述量子阱结构层包括垒层、量子阱层和垒层；更优选地，所述量子阱层位于两垒层之间。优选地，所述半导体量子阱外延层为GaAs基材料，一般地，其工作波长范围是600-1000nm。量子阱层与金属层的距离为30-40nm，金属层的厚度为80-100nm。对于GaAs基材料，量子阱层与金属层的距离在30-40nm范围内，两者有比较强的近场耦合作用，避免了光学模式的产生，并且减小淬灭效应的影响。金属层既做电极，同时又构建了传导表面等离激元的金属-空气波导结构。金属层的厚度大小影响上下两个界面上表面等离激元的耦合，在80-100nm范围内其对衰变速率的影响出现最佳效果。优选地，所述半导体量子阱外延层为InP基材料，对于InP基量子阱材料，一般地，其工作波长范围是900-1700nm。和GaAs基量子阱材料比较，由于工作波长较长，相应地，金属层和量子阱层的近场耦合距离范围也增大，金属层上下界面表面等离激元模式耦合所允许的金属层厚度也变大。具体地，量子阱层与金属层的距离为40-60nm，金属层的厚度为90-120nm。优选地，所述半导体量子阱外延材料为GaN基材料，对于GaN基量子阱材料，一般地，其工作波长范围是300-600nm。和GaAs基量子阱材料比较，由于工作波长短，相应地，金属层和量子阱层的近场耦合距离范围也减小，金属层上下界面表面等离激元模式耦合所允许的金属层厚度也变小。具体地，量子阱层与金属层的距离为25-35本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有介质‑金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于：包括衬底、半导体量子阱外延层、金属层和耦合输出结构；所述半导体量子阱外延层负载在衬底表面；所述金属层负载在半导体量子阱外延层表面，所述耦合输出结构位于金属层中。

【技术特征摘要】
1.一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于：包括衬底、半导体量子阱外延层、金属层和耦合输出结构；所述半导体量子阱外延层负载在衬底表面；所述半导体量子阱外延层为GaAs基材料，量子阱层与金属层的距离为30-40nm，金属层的厚度为80-100nm；或者所述半导体量子阱外延层为InP基材料，量子阱层与金属层的距离为40-60nm，金属层的厚度为90-120nm；所述金属层负载在半导体量子阱外延层表面，所述耦合输出结构位于金属层中。2.根据权利要求1所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于：所述半导体量子阱外延层包括量子阱结构层和p型欧姆接触层；所述量子阱结构层负载在衬底表面，所述p型欧姆接触层位于量子阱结构层与金属层之间。3.根据权利要求2所述的一种具有介质-金属近场耦合结构的表面等离激元电致激发源，其特征在于：所述量子阱结构层包括垒层、量子阱层和垒层；所述量子阱层位于两垒层之间。4.根据权利要求1所述的一种具有介质-金属近场耦合结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敬，孟祥敏，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11