基于表面等离子体的硅基光源制造技术

本发明专利技术提供一种基于表面等离子体的硅基光源，所述硅基光源包括基底及形成于所述基底上的Ω阵列微纳结构；所述Ω阵列微纳结构包括至少两个Ω微纳结构单元；其中，所述Ω微纳结构单元包括：发光部；环绕包裹所述发光部部分表面的波导部，且所述波导部未覆盖所述发光部的出光面；环绕包裹所述波导部部分表面的金属层，用以在所述金属层及所述波导部界面上产生表面等离子体；所述金属层底部与所述基底相接触。本发明专利技术通过调控材料来调控本征热发光频带，通过集成一系列不同半径R的内层发光材料实现宽频热发光效率增强，并且可以实现光学模式峰位与本征热发光峰位共振使发光效率达到峰值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路、集成光路领域，涉及一种基于表面等离子体的硅基光源。
技术介绍
硅基电子集成电路是上世纪五、六十年代发展起来的一种新型半导体器件，经过六十几年的发展，现在俨然已经成为我们的生活中不可缺少的一部分，成为整个信息技术的强大支柱。其飞速发展得益于硅基工艺的不断改进，晶体管尺寸缩小，集成度大大提高。早在1965年，GordonMoore就给出了著名的摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔18个月便会翻一番，性能也将提升一倍。但是随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是在进入到纳米尺度的范围后，硅基集成电路技术发展面临着一系列物理限制的挑战。因此集成度不能无限增加，而且过高的集成度所带来的功耗和散热问题会导致器件性能减退，硅基电子集成终将走向终结。那么应该选取什么机制来替代硅基电子集成呢。早在1966年，贝尔实验室就提出使用光器件互联在一块也可以实现集成电路同样的功能。而且光作为信号载体具有传输速度快、能耗低、抗电磁干扰能力高等特点。因此光子集成是很好的替代。目前光子集成技术主要有基于III-V族半导体材料体系和基于IV族硅等与CMOS工艺兼容的材料体系两种。III-V族材料体系虽然光学性能较好，但成本很高、工艺复杂、集成度不高。为了满足低成本、大容量、高密度的光子集成方案要求，硅基光子集成技术应运而生。硅基光子集成技术在低成本、高集成度方面具有不可替代的作用。其优势主要来源于成熟的硅基电子集成技术，包括易于获得、成本低廉的硅基材料，大批量、高良率的大规模集成技术，以及可扩展、可持续发展的产业结构。然而，作为硅基光子集成的重要组成部分，硅基光源由于本征硅材料是间接带隙半导体，发光效率非常低等原因，是国际上面临的一大挑战。尤其是硅基激光器，成为世界性的难题。在过去的二十年里，多孔硅、硅锗超晶格、稀土掺杂、硅量子点等方法等被提出来增强硅的发光效率，但发光效率没有实质性的提高。随着纳米操作技术的成熟，利用表面的等离子体来增强发光成为研究的热点。2013年，Chang-HeeCho等人提出了，对于硅在特定频率下自发辐射发光效率可提高～103倍。但是频带范围比较窄，不能满足日益增加的需求。因此，研究高效的、宽频的、频率可调控的硅基光源具有重要的意义。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于表面等离子体的硅基光源，用于解决现有技术中硅基光源发光效率低、频带范围窄的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于表面等离子体的硅基光源，所述硅基光源包括基底及形成于所述基底上的Ω阵列微纳结构；所述Ω阵列微纳结构包括至少两个Ω微纳结构单元；其中，所述Ω微纳结构单元包括：发光部；环绕包裹所述发光部部分表面的波导部，且所述波导部未覆盖所述发光部的出光面；环绕包裹所述波导部部分表面的金属层，用以在所述金属层及所述波导部界面上产生表面等离子体；所述金属层底部与所述基底相接触。可选地，所述发光部的材料包括硅、锗、锗硅中的任意一种。可选地，所述锗硅中，锗的质量组分为x，其中0<x<1。可选地，所述发光部为纳米线；所述纳米线的宽度范围是20-200nm。可选地，所述纳米线的横截面形状包括圆形、椭圆形、多边形中的任意一种。可选地，至少有两个Ω微纳结构单元的发光部尺寸不同。可选地，相邻两个Ω微纳结构单元平行排列。可选地，所述波导部的材料包括二氧化硅。可选地，所述波导部的厚度范围是3-8nm。可选地，所述金属层的材料包括金、银、铜中的任意一种。可选地，所述金属层的厚度大于50nm。可选地，所述金属层底部在所述基底表面往所述发光部两侧延伸。可选地，相邻两个Ω微纳结构单元的所述金属层相连接。可选地，所述基底采用玻璃基底。可选地，所述硅基光源的光学模式峰位频谱范围是0.6-2.8eV。如上所述，本专利技术的基于表面等离子体的硅基光源，具有以下有益效果：本专利技术利用Ω结构中产生的表面等离子体和波导模式耦合来阻止发光材料的热载流子的非发光弛豫和提供高的Purcell因子，可实现发光增强。通过集成一系列不同半径R的内层发光材料，调控模型的光学模式峰位，可实现宽频的增强热发光效率。通过调控半径可以与材料的本征热发光峰位的频率重合，可实现发光达到峰值。利用硅锗合金材料作为发光材料，其随着锗组分增加，其带隙减小，其本征热载流子跃迁发光频率红移，从而实现频率调控。即本专利技术通过利用Ω阵列微纳结构改变内层半径尺寸和发光材料可以实现高效的、频率可调控的、宽频的硅基光源。附图说明图1显示为本专利技术的基于表面等离子体的硅基光源的剖面结构示意图。图2显示为形成于基底上的Ω微纳结构单元的立体结构示意图。图3显示为形成于基底上的Ω微纳结构单元的剖面结构示意图。图4显示为形成于基底上的Ω微纳结构单元的出光示意图。图5显示为锗硅合金对应于倒空间X点和L点的带隙随着锗组分的变化关系。图6显示为Si0.5Ge0.5的电子谱。图7显示为Si0.5Ge0.5的声子谱。图8显示为Ge的电子谱。图9显示为Ge的声子谱。图10-图14显示为Ω微纳结构单元在不同锗组分及不同半径下的光学模式图谱。图15-图17分别显示为图10中A，B，C所代表的峰位频率的电场图。图18-图20分别显示为图10中A，B，C所代表的峰位频率的增强因子图。图21显示为本专利技术的基于表面等离子体的硅基光源的宽频特性。元件标号说明1基底2Ω微纳结构单元201发光部202波导部203金属层3短脉冲4光束具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1至图21。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本专利技术提供一种基于表面等离子体的硅基光源，请参阅图1，显示为所述硅基光源的剖面结构示意图，包括基底1及形成于所述基底上的Ω阵列微纳结构；所述Ω阵列微纳结构包括至少两个Ω微纳结构单元2。作为示例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于表面等离子体的硅基光源，其特征在于，所述硅基光源包括基底及形成于所述基底上的Ω阵列微纳结构；所述Ω阵列微纳结构包括至少两个Ω微纳结构单元；其中，所述Ω微纳结构单元包括：发光部；环绕包裹所述发光部部分表面的波导部，且所述波导部未覆盖所述发光部的出光面；环绕包裹所述波导部部分表面的金属层，用以在所述金属层及所述波导部界面上产生表面等离子体；所述金属层底部与所述基底相接触。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子体的硅基光源，其特征在于，所述硅基光源包括基底及形成于所述基
底上的Ω阵列微纳结构；所述Ω阵列微纳结构包括至少两个Ω微纳结构单元；其中，所述
Ω微纳结构单元包括：
发光部；
环绕包裹所述发光部部分表面的波导部，且所述波导部未覆盖所述发光部的出光面；
环绕包裹所述波导部部分表面的金属层，用以在所述金属层及所述波导部界面上产生
表面等离子体；所述金属层底部与所述基底相接触。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的硅基光源，其特征在于：所述发光部的材料包
括硅、锗、锗硅中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的基于表面等离子体的硅基光源，其特征在于：所述锗硅中，锗的质
量组分为x，其中0<x<1。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的硅基光源，其特征在于：所述发光部为纳米线；
所述纳米线的宽度范围是20-200nm。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的硅基光源，其特征在于：所述纳米线的横截面
形状包括圆形、椭圆形、多边形中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的硅基光源，其特征在于：至少有两个Ω微纳结
构单元的发光部尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：狄增峰，李伟，齐功民，张苗，母志强，王曦，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31